Новый взгляд на марсианскую атмосферу

Согласно новым наблюдениям ученых, финансируемых НАСА, ключевой индикатор, используемый для оценки того, сколько атмосферы потерял Марс, может изменяться в зависимости от времени суток и температуры поверхности на Красной планете.

Предыдущие измерения этого индикатора — изотопов кислорода — значительно разошлись. Точное измерение этого индикатора важно для оценки того, сколько атмосферы было у Марса до того, как она была потеряна, что показывает, мог ли Марс быть пригодным для обитания и какими могли быть условия.

Марс сегодня — холодная, негостеприимная пустыня, но такие особенности, как сухие русла рек и минералы, которые образуются только с жидкой водой, указывают на то, что давным-давно он имел плотную атмосферу, в которой сохранялось достаточно тепла, чтобы жидкая вода — необходимый ингредиент для жизни — текла по поверхности.

Похоже, что Марс потерял большую часть своей атмосферы за миллиарды лет, превратив свой климат из того, который мог бы поддерживать жизнь, в высушенную и замороженную среду сегодняшнего дня, согласно результатам миссий НАСА, таких как MAVEN и Curiosity.

Тем не менее, многие загадки о древней атмосфере Красной планеты остаются. «Мы знаем, что у Марса было больше атмосферы. Мы знаем, что у него была проточная вода. У нас нет точной оценки для условий» сказал Тимоти Ливенгуд из Университета Мэриленда, который является ведущим автором статьи об этом исследовании.

Один из способов оценить, насколько плотной была изначальная атмосфера Марса, — посмотреть на изотопы кислорода. Изотопы являются разновидностями элемента с различной массой из-за количества нейтронов в атомном ядре. Более легкие изотопы уходят в космос быстрее, чем более тяжелые изотопы, поэтому атмосфера, которая остается на планете, постепенно обогащается более тяжелым изотопом.

В этом случае Марс обогащен по сравнению с Землей более тяжелым изотопом кислорода 18О по сравнению с более легким и гораздо более распространенным 16О. Измеренное относительное количество каждого изотопа может быть использовано для оценки того, сколько атмосферы было на древнем Марсе, в сочетании с оценкой того, насколько быстрее ускользает более легкий 16О, и при условии, что относительное количество каждого изотопа на Земле и на Марсе было когда-то похоже.

Проблема заключается в том, что измерения количества 18O по сравнению с 16O на Марсе, соотношение 18O/16O, не были согласованы. Различные миссии измеряли различные соотношения, что приводит к различным пониманиям древней марсианской атмосферы. Новый результат дает возможность устранить это несоответствие, показав, что соотношение может меняться в течение марсианских суток.

«Предыдущие измерения на Марсе или с Земли получили множество различных значений для соотношения изотопов», — сказал Ливенгуд. «Наши первые измерения используют единый метод таким образом, что показывают соотношение, фактически меняющееся в течение одного дня, а не сравнения между независимыми устройствами. В наших измерениях соотношение изотопов варьируется от примерно 9%, обедненных тяжелыми изотопами в полдень на Марсе, до примерно 8%, обогащенных тяжелыми изотопами примерно на 1:30 вечера по сравнению с отношениями изотопов, которые являются нормальными для кислорода Земли.»

Этот диапазон изотопных отношений согласуется с другими зарегистрированными измерениями. «Наши измерения показывают, что все предыдущие работы, возможно, были выполнены правильно, но не согласованны, потому что этот аспект атмосферы является более сложным, чем мы предполагали», — сказал Ливенгуд. «В зависимости от того, где на Марсе было выполнено измерение и какое время суток на Марсе, можно получить разные значения».

Ученые считают, что изменение соотношений в течение дня является обычным явлением из-за температуры грунта, при которой изотопически более тяжелые молекулы будут прилипать к холодным поверхностным зернам ночью больше, чем более легкие изотопы, а затем освобождаются (термически десорбируются) при нагревании поверхности в течение дня.

Новая работа поможет исследователям уточнить свои оценки древней марсианской атмосферы. Поскольку измерения теперь можно понимать как согласующиеся с результатами таких процессов в атмосферах других планет, это означает, что они находятся на правильном пути для понимания того, как изменился климат Марса.

«Это показывает, что атмосферные потери были вызваны процессами, которые мы более или менее понимаем», — сказал Ливенгуд. «Критические детали еще предстоит проработать, но это означает, что нам не нужно вызывать экзотические процессы, которые могли бы привести к удалению CO₂ без изменения соотношений изотопов или изменения только некоторых соотношений в других элементах».

Timothy A. Livengood et al. Evidence for diurnally varying enrichment of heavy oxygen in Mars atmosphere, Icarus (2019). DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113387