Это снимки Марса в дальнем ультрафиолете, сделанные Хабблом вблизи его самой удаленной от Солнца точки, называемой афелием, 31 декабря 2017 года (вверху), и вблизи его самого близкого сближения с Солнцем, называемого перигелием, 19 декабря 2016 года (внизу). Атмосфера явно ярче и более протяженная, когда Марс находится близко к Солнцу. Отраженный от Марса солнечный свет на этих длинах волн показывает рассеяние атмосферными молекулами и дымкой, в то время как полярные ледяные шапки и некоторые особенности поверхности также видны. Хаббл и MAVEN показали, что атмосферные условия на Марсе меняются очень быстро. Когда Марс находится близко к Солнцу, молекулы воды очень быстро поднимаются через атмосферу, распадаясь и высвобождая атомы на больших высотах. Кредит: NASA, ESA, STScI, Джон Т. Кларк (Бостонский университет); Обработка: Джозеф ДеПаскуале (STScI)
Марс когда-то был очень влажной планетой, что очевидно по геологическим особенностям его поверхности. Ученые знают, что за последние 3 миллиарда лет по крайней мере часть воды ушла глубоко под землю, но что случилось с остальной частью? Теперь миссии NASA Hubble Space Telescope и MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) помогают раскрыть эту тайну.
«Есть только два места, куда может попасть вода. Она может замерзнуть в земле, или молекула воды может распасться на атомы, и атомы могут вырваться из верхних слоев атмосферы в космос», — пояснил руководитель исследования Джон Кларк из Центра космической физики Бостонского университета в Массачусетсе. «Чтобы понять, сколько было воды и что с ней произошло, нам нужно понять, как атомы вырываются в космос».
Кларк и его команда объединили данные с Hubble и MAVEN, чтобы измерить количество и текущую скорость выхода атомов водорода, выходящих в космос. Эта информация позволила им экстраполировать скорость выхода назад во времени, чтобы понять историю воды на красной планете.
Их исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Утечка водорода и тяжелого водорода
Молекулы воды в марсианской атмосфере распадаются под действием солнечного света на атомы водорода и кислорода. В частности, команда измерила водород и дейтерий, который является атомом водорода с нейтроном в ядре. Этот нейтрон дает дейтерий, масса которого в два раза больше массы водорода. Поскольку его масса больше, дейтерий улетает в космос гораздо медленнее, чем обычный водород.
Со временем, поскольку водорода терялось больше, чем дейтерия, соотношение дейтерия и водорода в атмосфере росло. Измерение этого соотношения сегодня дает ученым подсказку о том, сколько воды присутствовало в теплый, влажный период на Марсе. Изучая, как эти атомы убегают в настоящее время, они могут понять процессы, которые определяли скорость убегания за последние четыре миллиарда лет, и, таким образом, экстраполировать назад во времени.
Хотя большая часть данных исследования поступает с космического корабля MAVEN, MAVEN недостаточно чувствителен, чтобы увидеть выбросы дейтерия в любое время марсианского года. В отличие от Земли, Марс отклоняется далеко от Солнца по своей эллиптической орбите во время долгой марсианской зимы, 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, начиная с 1991 года — до прибытия MAVEN на Марс в 2014 году.
Объединение данных этих миссий позволило получить первое целостное представление об атомах водорода, покидающих Марс и покидающих космос.
Динамичная и турбулентная атмосфера Марса
«В последние годы ученые обнаружили, что Марс имеет годовой цикл, который гораздо более динамичен, чем люди ожидали 10 или 15 лет назад», — объяснил Кларк. «Вся атмосфера очень турбулентна, нагревается и остывает в короткие сроки, вплоть до часов. Атмосфера расширяется и сжимается, поскольку яркость солнца на Марсе меняется на 40 процентов в течение марсианского года».
Команда обнаружила, что скорости утечки водорода и дейтерия быстро меняются, когда Марс находится близко к Солнцу. В классической картине, которая была у ученых ранее, эти атомы, как считалось, медленно диффундируют вверх через атмосферу на высоту, где они могут убежать.
Но эта картина больше не отражает точно всю историю, 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 через 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 для атомного побега. При температуре верхней атмосферы только небольшая часть атомов имеет достаточную скорость, чтобы вырваться из гравитации Марса. Более быстрые (сверхтепловые) атомы производятся, когда что-то дает атому толчок дополнительной энергии. К таким событиям относятся столкновения протонов солнечного ветра, входящих в атмосферу, или солнечный свет, который запускает химические реакции в верхней атмосфере.
Выполнение функций доверенного лица
Изучение истории воды на Марсе имеет основополагающее значение не только для понимания планет в нашей собственной солнечной системе, но и для эволюции планет размером с Землю 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 около нее, области вокруг звезды, где жидкая вода может собираться на каменистой планете; однако все три планеты имеют кардинально разные современные условия. Вместе со своими сестринскими планетами Марс может помочь ученым понять природу далеких миров по всей нашей галактике.
