При мысли о молнии наше воображение рисует небесные вспышки, разрывающие грозовое небо Земли. Это зрелище, неразрывно связанное с водой и мощной атмосферной динамикой. Но может ли такое явление существовать на планете, где небо вечно пыльное, а вода замерзла в полярных шапках и под поверхностью? Этот вопрос долгое время оставался открытым для ученых, изучающих Марс. Ответ, как это часто бывает в науке, пришел неожиданно и не в виде визуального подтверждения, а в виде едва уловимого электромагнитного сигнала, пойманного зондом НАСА после десяти лет напряженного вслушивания в марсианскую атмосферу.
В ходе анализа обширных данных, собранных космическим аппаратом НАСА MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) за последнее десятилетие, ученые обнаружили знакомый тип электромагнитного сигнала, обычно вызываемого молниями. Эта редкая находка представляет собой первое прямое свидетельство активности молний на Марсе. Недавно команда ученых опубликовала результаты своих исследований в журнале Science Advances, где описывает это событие и объясняет, почему так сложно обнаружить молниеподобную активность на Марсе.
Ключом к разгадке стали так называемые свистовые волны (Whistler). Это низкочастотные радиоволновые сигналы, генерируемые молниями, которые создают импульс, распространяющийся через магнитосферу планеты вдоль линий магнитного поля. Свистовые волны рассеиваются из-за меньшей скорости распространения низкочастотных волн в плазме ионосферы и магнитосферы. Эти волны типичны для Земли, но также наблюдались на Юпитере, Сатурне и Нептуне. Все эти планеты обладают сильными магнитными полями и соответствующими магнитосферами, что способствует распространению свистовых волн.
Однако именно здесь кроется главное препятствие для изучения Марса. В отличие от Земли и планет-гигантов, на Марсе нет глобального, подобного земному, магнитного поля. Это объясняется тем, что внутренняя активность, вызывающая эти магнитные поля, прекратилась на Марсе миллиарды лет назад. И это может объяснять тот факт, что разряды, подобные молниям, в марсианской атмосфере до сих пор не наблюдались. Но само отсутствие глобального поля вовсе не означает, что электрические разряды невозможны. «Моделирование и лабораторные эксперименты показывают, что в марсианских пылевых бурях, вероятно, происходят электрические разряды, подобные тем, которые наблюдаются при извержениях земных вулканов и пылевых вихрях. Во время пылевых бурь частицы пыли заряжаются электрическим током в результате столкновений», — поясняют авторы исследования.
Команда исследователей утверждает, что в сочетании с определенными атмосферными условиями эти пылевые бури могут генерировать электрические разряды. Это было подтверждено в лабораторных экспериментах. И хотя глобального магнитного поля нет, на Марсе существуют локализованные магнитные поля коры, рассеянные по всей его поверхности. Они, как правило, гораздо сильнее в южном полушарии, чем в северном. Таким образом, свистовые волны потенциально могут распространяться вдоль этих силовых линий, когда они генерируются в результате молниеносной активности, возникающей во время пылевых бурь.
Само обнаружение оказалось делом невероятной удачи и тщательного анализа. Из более чем 108 000 измерений, полученных с помощью MAVEN, команда обнаружила единичную частотно-дисперсионную свистовую волну в ионосфере Марса. На снимке было видно четкое свистящее событие, длившееся всего 0,4 секунды и охватывающее частоту до 110 Гц. Ученые провели теоретическое моделирование, которое подтвердило правдоподобность распространения волны от поверхности к космическому аппарату. И хотя исследователи отмечают, что они не могут точно определить местоположение разряда или то, был ли он вызван пылевой бурей, они говорят, что данные очень похожи на данные о волнах, генерируемых молниями на Земле.
Поскольку на данный момент зафиксировано только одно такое событие, становится ясно, что зафиксировать молнии на Марсе с орбиты задача крайне сложная. Для того чтобы поймать хотя бы это единственное событие, необходимо было соблюдение нескольких условий. Например, локализованное магнитное поле должно было быть достаточно сильным, чтобы его можно было обнаружить с помощью орбитального аппарата. Также требовались специфические ионосферные условия. Кроме того, измерение должно было проводиться в очень специфическом месте на той стороне Марса, где наблюдаются ночные условия, и в определенное время, когда магнитное поле было ориентировано вертикально.
Команда исследователей подчеркивает исключительную редкость такого стечения обстоятельств: «Мы отмечаем, что, хотя условия ночной ионосферы присутствовали примерно в одной трети проанализированных снимков волн, такие высокие наклоны магнитного поля встречаются крайне редко; менее 1% исследованных снимков волн (всего 679) были измерены в местах с такими высокими значениями, и только 290 из них — при зенитном угле Солнца > 100°».
Это заставляет ученых предполагать, что, хотя на Марсе могут происходить процессы электрического разряда, подобные молниям, свойства ионосферы часто препятствуют образованию обнаруживаемого свистящего сигнала. Кроме того, сами разряды могут быть нечастыми или слабыми, возможно, из-за дополнительных процессов, препятствующих генерации пробивного электрического поля.
Благодаря тому, что MAVEN оказался в нужном месте в нужное время, ученые теперь немного больше знают об условиях на Марсе. Этот единственный 0,4 секундный сигнал открывает новую главу в понимании марсианской погоды и геофизики. Информация может помочь в планировании будущих миссий, особенно тех, которые будут работать на поверхности во время пылевых бурь, и вносит неоценимый вклад в наше понимание атмосфер планет и сравнительной планетологии, показывая, что даже на, казалось бы, мертвой планете может находиться место для электрической жизни.
При этом неясно, будут ли доступны аналогичные наблюдения в будущем, поскольку НАСА не поддерживает связь с MAVEN уже почти три месяца.