Когда-то Марс был очень влажной планетой, о чем свидетельствуют геологические особенности его поверхности. Ученым известно, что за последние 3 миллиарда лет по крайней мере часть воды ушла глубоко под землю, но что случилось с остальной частью? Теперь космический телескоп НАСА "Хаббл" и программа MAVEN ("Атмосфера Марса и изменчивая эволюция") помогают раскрыть эту тайну.
"Есть только два места, куда может попасть вода. Она может вмерзнуть в землю, или молекула воды может распасться на атомы, и атомы могут улететь из верхних слоев атмосферы в космос", - пояснил руководитель исследования Джон Кларк из Центра космической физики Бостонского университета в Массачусетсе. "Чтобы понять, сколько там было воды и что с ней произошло, нам нужно понять, как атомы улетучиваются в космос".
Кларк и его команда объединили данные "Хаббла" и MAVEN, чтобы измерить количество и текущую скорость выхода атомов водорода в космос. Эта информация позволила им экстраполировать скорость выхода в обратном направлении во времени, чтобы понять историю воды на Красной планете. Их исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Выход водорода и тяжелого водорода
Молекулы воды в атмосфере Марса под воздействием солнечного света распадаются на атомы водорода и кислорода. В частности, ученые измерили содержание водорода и дейтерия, который представляет собой атом водорода с нейтроном в ядре. Этот нейтрон дает дейтерию массу, вдвое превышающую массу водорода. Из-за большей массы дейтерий улетучивается в космос гораздо медленнее, чем обычный водород.
Со временем, когда водорода терялось больше, чем дейтерия, соотношение дейтерия и водорода в атмосфере росло. Измерение этого соотношения сегодня дает ученым представление о том, сколько воды присутствовало на Марсе в теплый и влажный период. Изучая, как эти атомы в настоящее время улетучиваются, они могут понять процессы, которые определяли скорость улетучивания за последние четыре миллиарда лет, и таким образом экстраполировать их назад во времени.
Хотя большая часть данных исследования получена с космического аппарата MAVEN, MAVEN недостаточно чувствителен, чтобы наблюдать выброс дейтерия в течение всего марсианского года. В отличие от Земли, Марс во время долгой марсианской зимы движется по своей эллиптической орбите далеко от Солнца, и выбросы дейтерия становятся слабыми. Кларку и его команде нужны были данные "Хаббла", чтобы "заполнить пробелы" и завершить годовой цикл в течение трех марсианских лет (каждый из которых составляет 687 земных дней). Хаббл также предоставил дополнительные данные, относящиеся к 1991 году — до прибытия MAVEN на Марс в 2014 году.
Совокупность данных, полученных в ходе этих миссий, позволила впервые получить целостное представление об атомах водорода, улетающих с Марса в космос.
Динамичная и неспокойная атмосфера Марса
"В последние годы ученые обнаружили, что годовой цикл Марса гораздо более динамичен, чем люди ожидали 10 или 15 лет назад", - пояснил Кларк. "Вся атмосфера очень турбулентна, она нагревается и охлаждается за короткие промежутки времени, вплоть до нескольких часов. Атмосфера расширяется и сжимается, поскольку яркость солнца на Марсе меняется на 40 процентов в течение марсианского года".
Команда обнаружила, что скорость выброса водорода и дейтерия быстро меняется, когда Марс приближается к Солнцу. В классической картине, которую ранее представляли ученые, считалось, что эти атомы медленно рассеиваются вверх через атмосферу до высоты, на которой они могут улетучиться.
Но эта картина уже не точно отражает всю картину, потому что теперь ученые знают, что атмосферные условия меняются очень быстро. Когда Марс находится близко к Солнцу, молекулы воды, которые являются источником водорода и дейтерия, очень быстро поднимаются в атмосферу, высвобождая атомы на больших высотах.
Второе открытие заключается в том, что изменения в водороде и дейтерии происходят настолько быстро, что для их объяснения требуется дополнительная энергия. При температуре верхних слоев атмосферы лишь небольшая часть атомов обладает достаточной скоростью, чтобы преодолеть гравитацию Марса. Более быстрые (сверхтепловые) атомы образуются, когда что-то дает атому дополнительный заряд энергии. К таким событиям относятся столкновения протонов солнечного ветра, попадающих в атмосферу, или солнечный свет, который запускает химические реакции в верхних слоях атмосферы.
Служащий посредником
Изучение истории воды на Марсе имеет фундаментальное значение не только для понимания планет нашей солнечной системы, но и для изучения эволюции планет размером с Землю, вращающихся вокруг других звезд. Астрономы находят все больше и больше таких планет, но их трудно изучать в деталях.
Марс, Земля и Венера находятся в обитаемой зоне нашей Солнечной системы или вблизи нее - области вокруг звезды, где на каменистой планете может скапливаться жидкая вода; однако современные условия на всех трех планетах резко отличаются. Наряду со своими родственными планетами, Марс может помочь ученым понять природу отдаленных миров по всей нашей галактике.
