Обнаружен новый круговорот воды на Марсе

Примерно каждые два земных года, когда в южном полушарии Марса наступает лето, открывается окно: только в это время водяной пар может эффективно подниматься из нижней в верхнюю марсианскую атмосферу. Там ветры несут редкий газ к северному полюсу.

В то время как часть водяного пара разлагается и уходит в космос, остальная часть опускается обратно около полюсов. Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и Института исследований солнечной системы имени Макса Планка (MPS) в Германии описывают этот необычный марсианский круговорот воды в Geophysical Research Letters.

Их компьютерное моделирование показывает, как водяной пар преодолевает барьер холодного воздуха в средней атмосфере Марса и достигает более высоких слоев атмосферы. Это может объяснить, почему Марс, в отличие от Земли, потерял большую часть своей воды.

Миллиарды лет назад Марс был планетой, богатой водой с реками и даже c морями. С тех пор наша соседняя планета сильно изменилась. Сегодня на Марсе существует лишь небольшое количество замерзшей воды; в атмосфере водяной пар встречается очень редко. В общем, планета, возможно, потеряла как минимум 80 процентов своей первоначальной воды.

В верхних слоях атмосферы Марса ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет молекулы воды на водород (H) и гидроксильные радикалы (OH). Оттуда водород безвозвратно улетает в космос. Измерения с помощью космических зондов и космических телескопов показывают, что даже сегодня вода все еще теряется таким образом. Но как это возможно? Слой средней атмосферы Марса, как и тропопауза Земли, должен фактически остановить уходящий поток газа. В конце концов, этот регион обычно настолько холоден, что водяные пары превращаются в лед. Как марсианский водяной пар достигает верхних слоев атмосферы?

В своих исследованиях российские и немецкие ученые находят ранее неизвестный механизм, напоминающий насос. Их модель всесторонне описывает потоки во всей газовой оболочке, окружающей Марс, от поверхности до высоты 160 километров. Расчеты показывают, что атмосфера становится проницаемой для водяного пара два раза в день, но только в определенном месте и в определенное время года.

Орбита Марса играет в этом решающую роль. Его путь вокруг Солнца, который длится около двух земных лет, намного более эллиптический, чем у нашей планеты. В точке, ближайшей к Солнцу (что примерно совпадает с летом в южном полушарии), Марс находится примерно на 42 миллиона километров ближе к Солнцу, чем в его самой дальней точке. Поэтому лето в южном полушарии заметно теплее, чем лето в северном полушарии.

Когда в южном полушарии наступает лето, в определенное время дня водяной пар может подниматься локально с более теплыми воздушными массами и достигать верхних слоев атмосферы. В верхних слоях атмосферы воздушные потоки переносят газ по долготе к северному полюсу, где он снова охлаждается и опускается. Однако часть водяного пара выходит из этого цикла: под воздействием солнечного излучения молекулы воды распадаются, а водород улетает в космос.

Еще одна марсианская особенность может усилить этот необычный гидрологический цикл: огромные пыльные бури, которые охватывают всю планету и неоднократно поражают Марс с интервалами в несколько лет. Последние такие штормы произошли в 2018 и 2007 годах и были всесторонне задокументированы космическими зондами на орбите Марса. «Количество пыли, циркулирующей в атмосфере во время такой бури, облегчает транспортировку водяного пара в верхние слои воздуха», — говорит Александр Медведев.

Исследователи подсчитали, что во время пыльной бури 2007 года в верхние слои атмосферы попало вдвое больше водяного пара, чем во время без шторма в южном полушарии. Поскольку частицы пыли поглощают солнечный свет и, таким образом, нагреваются, температура во всей атмосфере повышается до 30 градусов. «Наша модель с беспрецедентной точностью показывает, как пыль в атмосфере влияет на микрофизические процессы, связанные с превращением льда в водяной пар», — объясняет Дмитрий Шапошников из Московского физико-технического института, автора нового исследования.

«По-видимому, марсианская атмосфера более проницаема для водяного пара, чем атмосфера Земли», — заключают ученые. «Новый сезонный круговорот воды в значительной степени способствует продолжающейся потере воды на Марсе».

Dmitry S. Shaposhnikov et al. Seasonal Water «Pump» in the Atmosphere of Mars: Vertical Transport to the Thermosphere, Geophysical Research Letters (2019). DOI: 10.1029/2019GL082839