Интерпретация художника покрытой льдом реки, берущей начало из талой воды под южной полярной шапкой Марса. Фото: Питер Бюлер/PSI
Согласно новому исследованию, опубликованному в Журнале геофизических исследований: Планеты, на холодном древнем Марсе текли реки и озеро размером со Средиземное море набухало под защитой толстых ледяных потолков.
В статье, возглавляемой научным сотрудником Института планетологии Питером Бюлером, описывается, как 3,6 миллиарда лет назад углекислый газ вымерз из атмосферы Марса и отложился поверх водяного ледяного покрова на полюсах, изолируя тепло, исходящее из недр Марса, и увеличивая его. давление на лед. Это привело к тому, что примерно половина общего запаса воды на Марсе растаяла и текла по его поверхности без необходимости климатического потепления.
Предыдущая работа Бюлера была сосредоточена на моделировании современного цикла углекислого газа на Марсе. Недавно он расширил свою модель, чтобы исследовать обмен углекислого газа с марсианским реголитом — песком и камнями. Таким образом, его модель отражает полный цикл углекислого газа от реголита до атмосферы и замерзших полярных шапок.
Для этого исследования он применил модель к ключевой эпохе в истории Марса.
«Эта модель последовательно описывает происхождение основных особенностей ландшафта на Марсе — таких как самое большое озеро, самые большие долины и самая большая система оз (остатки рек, которые когда-то текли под ледниковым покровом)», — сказал Бюлер. «И это основано только на процессе, который мы наблюдаем уже сегодня, а именно на выпадении углекислого газа из атмосферы».
Марс в движении
Ученым известно с 1970-х годов, что большая часть углекислого газа Марса в настоящее время связана в реголите слоями толщиной в одну молекулу вокруг каждого зерна.
Поэтому, когда Бюлер включил реголит в свою модель, он обнаружил, что «атмосфера в основном создана для поездки», сказал он. «Даже сегодня он действует как канал для реального действия, которым является обмен между реголитом и южной полярной ледяной шапкой».
Цикл контролируется степенью наклона вращения Марса, который медленно меняется взад и вперед каждые 100 000 марсианских лет.
Когда Марс вращается почти прямо вверх и вниз, на полюса не попадает много прямого солнечного света, в то время как солнце нагревает экватор. В этих условиях углекислый газ выходит из реголита в атмосферу. Когда он достигает полюсов холода, он откладывается на вершине водяного льда.
И наоборот, когда Марс резко наклонен, Солнце легко нагревает полюса. В результате лед из углекислого газа сублимируется — или напрямую превращается из твердого льда в газ — в атмосферу, где более холодный реголит может затем «впитать его обратно, как губка», — сказал Бюлер.
Эта модель хорошо работает для современного Марса, поэтому Бюлер хотел проверить, как она будет работать в то время, когда на планете была гораздо более плотная атмосфера из углекислого газа — около 3,6 миллиарда лет назад. Именно тогда, по мнению ученых, атмосфера Марса впервые начала разрушаться, и начал функционировать нынешний цикл углекислого газа, описанный Бюлером.
Есть также свидетельства того, что эта эпоха также совпадает с возникновением многих сетей речных долин, но ученые до сих пор не пришли к единому мнению относительно климатических условий, которые могли бы объяснить их формирование.
В модели Бюлера слой углекислого газа толщиной 0,4 мили откладывается поверх слоя водяного льда толщиной 2,5 мили, слоя водяного льда примерно такой же толщины, как тот, который существует сегодня на Южном полюсе. Лед из углекислого газа действует как мощный изолятор, удерживая тепло, исходящее из горячих недр планеты внизу. Это также увеличивает вес и давление на вершину водяного льда.
Он обнаружил, что вместе эти условия тают огромное количество воды у подножия ледяной шапки.
Затем талая вода пропитывает марсианскую кору по краям ледникового щита. Там подземные воды пытаются выйти наружу, но вместо этого замерзают в виде вечной мерзлоты.
«Теперь у вас есть крышка сверху, уровень насыщенных грунтовых вод внизу и вечная мерзлота по бокам», — сказал Бюлер. «Единственный путь, по которому вода может пройти, — это пройти через границу между ледниковым покровом и скалой под ним. Вот почему на Земле вы видите, как реки выходят из-под ледников, а не просто впадают в землю».
Эта талая вода образует реки у подножия ледникового покрова. Эти подледниковые реки оставляют после себя длинные гравийные гряды, называемые озами. Ученые наблюдали множество озов вблизи южного полюса, размеры которых соответствовали размерам подледниковых рек, предсказанных моделью Бюлера.
«Эскерс является свидетельством того, что в какой-то момент на Марсе произошло таяние подледников, и это большая загадка», — сказал Бюлер. «Люди пытались обнаружить процессы, которые могли бы это осуществить, но ничего не помогало.
«Наилучшая на данный момент гипотеза состоит в том, что произошло какое-то неустановленное событие глобального потепления, но это был для меня неудовлетворительный ответ, потому что мы не знаем, что могло вызвать это потепление. Эта модель объясняет эскеры, не ссылаясь на потепление климата».
Как только подледные реки достигают края ледникового щита, они сталкиваются с холодной атмосферой и первоначально образуют сочащиеся потоки, похожие на медленно движущуюся лаву, покрытую замерзшей коркой. В конце концов, эти покрытые коркой льда илы надуваются достаточным количеством воды и превращаются в настоящие реки со ледяными вершинами.
Бюлер предсказывает, что лед, покрывающий реки, должен достигать толщины от десятков до сотен футов и перекрывать реки глубиной в несколько футов, вода в которых течет со скоростью несколько футов в секунду, а талой воды будет достаточно, чтобы достичь длины до тысяч миль.
Есть несколько длинных извилистых долин, ведущих вниз из южнополярного, богатого озами региона в бассейн Аргир, которые ранее были идентифицированы как древние речные русла, что соответствует предсказанию его модели.
Покрытая льдом вода затем заполняет бассейн Аргир, объем которого примерно равен Средиземному морю, в течение десятков тысяч лет, прежде чем она выйдет из берегов и опустеет на расстоянии почти 5000 миль на северных равнинах, сказал Бюлер. Вероятно, этот процесс происходил несколько раз с интервалом в миллионы лет в течение эры в сто миллионов лет.
«Это первая модель, которая производит достаточно воды, чтобы превзойти Аргир, что соответствует многолетним геологическим наблюдениям», — сказал Бюлер.
«Также вероятно, что талая вода, оказавшись ниже по течению, сублимировалась обратно в атмосферу, прежде чем вернуться в южную полярную шапку, увековечивая гидрологический цикл от полюса до экватора, который, возможно, сыграл важную роль в загадочном пульсе Марса на поздней стадии. Более того, для ее объяснения не требуется потепление на поздней стадии».
Далее Бюлер планирует будущие испытания своей модели. Если результаты сохранятся, они радикально изменят наше понимание древнего водного цикла Марса, сказал он.
Информация от: Институтом планетарных наук.
