Марс преследует нас как видение планеты, на которой все пошло не так. Когда-то он был теплым и влажным, по его поверхности текли реки, а в водоемах обитала (потенциально) простая жизнь. Теперь он сухой и замерзающий.
Может ли такая судьба постигнуть Землю? Есть ли во Вселенной бесчисленное множество других миров, которые в течение определенного времени были пригодны для жизни, а затем стали непригодными для жизни?
Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны ответить на один из главных вопросов космической науки: Что привело к изменениям на Марсе? Новое исследование показывает, что водород играл важнейшую роль в поддержании тепла на древнем Марсе в течение определенного периода времени, когда температура на планете колебалась между теплом и холодом.
Исследование называется «Эпизодические теплые климаты на раннем Марсе, вызванные гидратацией коры». Оно опубликовано в журнале Nature Geoscience, а его ведущим автором является Даника Адамс, постдокторант кафедры наук о Земле и планетах Гарвардского университета.
«Ранний Марс - это потерянный мир, но его можно реконструировать в мельчайших деталях, если мы зададим правильные вопросы».
Робин Вордсворт, Гарвардский университет.
Существует множество доказательств наличия проточной поверхностной воды на древнем Марсе. Марсоход НАСА Perseverance исследует кратер Джезеро - древнее палеоозеро с глубокими отложениями осадочных пород, принесенных туда текущей водой. На спутниковых снимках видны многочисленные русла древних рек. Есть также явные свидетельства существования древних озер.
Долгое время в науке преобладало мнение, что Марс когда-то был теплым, а потом стал холодным. В последние годы появились более подробные свидетельства того, что Марс колебался между теплой и холодной планетой.
Если это так, то что было причиной этих колебаний?
Первая трудность в объяснении ранних теплых периодов на Марсе - парадокс слабого молодого Солнца. По расчетам астрофизиков, молодое Солнце излучало лишь 70 % энергии от того, что излучает сейчас. Как же на Марсе могла существовать жидкая поверхностная вода при столь малой солнечной активности?
«То, что на Марсе была жидкая вода, было такой загадкой, потому что Марс находится дальше от Солнца, а также потому, что Солнце было слабее на ранних этапах», - говорит ведущий автор работы Даника Адамс в пресс-релизе.
Данные свидетельствуют о том, что на Марсе когда-то было достаточно воды для эквивалентного глобального океана глубиной от 100 до 1 500 метров во время позднего Ноахийского периода планеты. Ученые обнаружили сотни озерных русел ноахийского периода, некоторые из которых по размерам не уступают Каспийскому морю. Однако предполагается, что планета была слишком холодной, чтобы вместить такое количество жидкой воды без более эффективной теплоудерживающей атмосферы. Сам по себе CO2 не смог бы этого сделать, но исследователи считают, что это могла бы сделать более богатая водородом атмосфера.
«Парниковые газы, такие как H2 в атмосфере, богатой CO2, могли способствовать потеплению за счет поглощения, вызванного столкновениями, но достаточно ли было H2 для поддержания потепления, остается неясным», - пишут авторы в своей статье. Поглощение, вызванное столкновениями (CIA), - это когда молекулы в газе сталкиваются, и взаимодействие, возникающее при столкновении, позволяет молекулам поглощать свет. CIA может усилить эффект потепления от CO2 в атмосфере.
Если бы существовал источник водорода, который позволял атмосфере пополнять себя, это могло бы объяснить, как Марс колебался между холодным и сухим и теплым и влажным. Исследователи использовали комбинированную фотохимическую и климатическую модель, чтобы понять, как атмосфера реагировала на климатические изменения и реакции между H2O и породой.
«Ранний Марс - это потерянный мир, но его можно реконструировать в мельчайших деталях, если задавать правильные вопросы», - говорит соавтор исследования Робин Вордсворт из Гарварда. «В этом исследовании впервые синтезированы химия атмосферы и климат, что позволяет сделать несколько поразительных новых прогнозов, которые можно будет проверить, когда мы вернем марсианские породы на Землю».
Исследование команды показало, что на раннем Марсе существовало два различных климатических состояния, которые сохранялись в течение длительного времени. Теплый климат поддерживал жидкую воду на поверхности и длился от 100 000 до 10 миллионов лет. Эти периоды создавались и поддерживались за счет H2, образующегося в результате гидратации земной коры при некоторой помощи вулканической активности. Во время гидратации земной коры вода уходит в землю, а H2 выделяется в атмосферу. Прохладный климат длился около 10 миллионов лет и характеризовался атмосферой с преобладанием СО, вызванным поглотителями окислителей на поверхности планеты.
«Мы считаем, что выбросы H2 <молекулярного водорода> при гидратации и окислении коры, дополняемые периодической вулканической активностью, могли генерировать достаточное количество H2 для временного поддержания теплого и влажного климата», - поясняют авторы.
Модели команды показали, что климат Марса колебался подобным образом в течение примерно 40 миллионов лет во время Ноахийского и Гесперийского периодов. Каждый теплый период длился не менее 100 000 лет. По мнению исследователей, эти временные рамки согласуются с продолжительностью времени, которое потребовалось для вырезания речных долин Марса.
Химический состав атмосферы планеты колебался в течение этих периодов. Когда солнечный свет попадал на CO2, он преобразовывался в CO. В теплые периоды CO снова превращался в CO2, и в атмосфере преобладали CO2 и H2.
В холодные периоды рециклинг СО замедлялся, СО накапливался в атмосфере, и это приводило к более низкому содержанию кислорода. Таким образом, окислительно-восстановительное состояние атмосферы резко колебалось во времени.
«Мы определили временные шкалы для всех этих колебаний», - говорит Адамс. «И мы описали все части в одной фотохимической модели».
Современная поверхность Марса подтверждает гипотезу о чередовании атмосферных окислительно-восстановительных процессов. На поверхности наблюдается «недостаток карбонатов», объясняют исследователи в своей статье. Они должны образовываться в атмосфере с преобладанием CO2, где присутствует вода с нейтральным pH, при условии обильного изменения коры в открытой системе на поверхности планеты. Адамс и ее коллеги-исследователи говорят, что их гипотеза может объяснить отсутствие карбонатов.
Карбонаты были впервые обнаружены на Марсе в 2008 году, и ученые ожидали найти их крупные залежи. Однако такие крупные залежи так и не были найдены. Если на раннем Марсе долгое время было много воды, то и карбонаты должны были быть в изобилии.
Поверхностные породы Марса также содержат как окисленные, так и восстановленные виды минералов. Авторы говорят, что это свидетельствует о том, что поверхность находится далеко от равновесия, что подтверждает их гипотезу. "Хотя в условиях одного климата могут образовываться как окисленные, так и восстановленные виды, скорость осаждения различных видов чувствительна к климату. Например, в теплом климате предпочтительно осаждается нитрат, а в холодном - нитрит", - пишут авторы.
В любом случае, Марс представляет собой чрезвычайно интересную загадку. В отсутствие тектоники плит его поверхность практически не изменилась с древних времен. В отличие от Земли, которая перерабатывает свою поверхность и стирает улики, свидетельства теплых и влажных периодов Марса легко увидеть. «Это отличный пример того, как планеты могут эволюционировать с течением времени», - говорит ведущий автор работы Адамс.
Многое из того, что ученые предполагают о Марсе, может быть подтверждено только натурными измерениями. Марсоходы НАСА MSL Curiosity и Perseverance оснащены бортовыми лабораториями для изучения горных пород. Однако Perseverance также хранит образцы горных пород для последующего возвращения на Землю. Эти образцы, если они доберутся до земных лабораторий, будут иметь решающее значение для ответов на наши вопросы о Марсе.
«Таким образом, полная интерпретация редокс-парадокса потребует тщательного сравнения нашей гипотезы чередования атмосферных редоксов с химическими и изотопными данными, собранными in situ, а также с магматическими и измененными водой породами первых 1-2 миллиардов лет истории Марса, которые входят в состав образцов, собираемых в настоящее время ровером Perseverance», - заключают авторы.
Эта гипотеза поднимает вопросы о пригодности Марса для жизни в прошлом. Согласно нашим представлениям, колебания между теплым и влажным и холодным и сухим периодами представляют собой серьезное препятствие для зарождения и развития жизни. Но это выходит за рамки данной статьи.