Паукообразные образования, называемые аранеиформными ландшафтами, обнаружены в южном полушарии Марса, вырезанные в ландшафте углекислым газом. На этом снимке 2009 года, сделанном аппаратом NASA Mars Reconnaissance Orbiter, показаны несколько таких отличительных образований на площади в три четверти мили (1,2 километра) шириной. Кредит: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona
Испытания на Земле, по-видимому, подтверждают, что паукообразные геологические образования Красной планеты образованы углекислым газом.
С момента их обнаружения в 2003 году с помощью изображений с орбитальных аппаратов ученые восхищались паукообразными формами, раскинувшимися по всему южному полушарию Марса. Никто не знает наверняка, как создаются эти геологические особенности. Каждое разветвленное образование может простираться более чем на полмили (1 км) от одного конца до другого и включать сотни веретенообразных «ног». Эти особенности, называемые аранеиформной местностью, часто встречаются в скоплениях, придавая поверхности морщинистый вид.
Основная теория заключается в том, что пауки созданы процессами, в которых задействован лед из углекислого газа, который не встречается на Земле естественным образом. Благодаря экспериментам, подробно описанным в новой статье, опубликованной в журнале The Planetary Science Journal, ученые впервые воссоздали эти процессы формирования в условиях смоделированных марсианских температур и давления воздуха.
«Пауки — это странные, красивые геологические образования сами по себе», — сказала Лорен МакКеон из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. «Эти эксперименты помогут настроить наши модели на то, как они формируются».
Исследование подтверждает несколько процессов формирования, описанных так называемой моделью Киффера: солнечный свет нагревает почву, когда он проходит через прозрачные пласты льда из углекислого газа, которые накапливаются на поверхности Марса каждую зиму.
Будучи темнее льда над ним, почва поглощает тепло и заставляет лед, находящийся ближе всего к ней, превращаться непосредственно в углекислый газ — без предварительного превращения в жидкость — в процессе, называемом сублимацией (тот же процесс, который заставляет облака «дыма» подниматься из сухого льда). По мере того, как давление газа нарастает, марсианский лед трескается, позволяя газу выходить. Просачиваясь вверх, газ увлекает за собой поток темной пыли и песка из почвы, который приземляется на поверхность льда.
Согласно теории, когда зима сменяется весной и оставшийся лед сублимируется, остаются паукообразные шрамы от этих небольших извержений.
Темные пятна, которые можно увидеть на этом примере паукообразной местности, запечатленной аппаратом NASA Mars Reconnaissance Orbiter в 2018 году, считаются почвой, выброшенной с поверхности шлейфами углекислого газа. Серия экспериментов в JPL была направлена на воссоздание этих паукообразных образований в лабораторных условиях. Кредит: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona
Воссоздание Марса в лаборатории
Для Мак Киоун и ее соавторов самой сложной частью проведения этих экспериментов было воссоздание условий, обнаруженных на полярной поверхности Марса: чрезвычайно низкое давление воздуха и температура до минус 301 градуса по Фаренгейту (минус 185 градусов по Цельсию). Для этого Мак Киоун использовала охлаждаемую жидким азотом испытательную камеру в JPL, Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments, или DUSTIE.
«Я люблю DUSTIE. Это историческое событие», — сказал Мак-Кеоун, отметив, что камера размером с винную бочку использовалась для тестирования прототипа инструмента для шлифования, разработанного для посадочного модуля NASA Mars Phoenix. Инструмент использовался для разрушения водяного льда, который космический аппарат зачерпнул и проанализировал вблизи северного полюса планеты.
Для этого эксперимента исследователи охладили имитатор марсианского грунта в контейнере, погруженном в ванну с жидким азотом. Они поместили его в камеру DUSTIE, где давление воздуха было снижено до уровня, аналогичного давлению в южном полушарии Марса. Затем в камеру поступал углекислый газ и конденсировался из газа в лед в течение трех-пяти часов. Потребовалось много попыток, прежде чем Мак-Кеоун нашел именно те условия, при которых лед стал достаточно толстым и прозрачным для проведения экспериментов.
Вот взгляд изнутри на DUSTIE JPL, камеру размером с винную бочку, используемую для моделирования температур и давления воздуха других планет – в данном случае, льда из углекислого газа, обнаруженного на южном полюсе Марса. Эксперименты, проведенные в камере, подтвердили, как создаются марсианские образования, известные как «пауки». Кредит: NASA / JPL-Caltech
Получив лед с нужными свойствами, они поместили нагреватель в камеру под имитатором, чтобы нагреть его и расколоть лед. Мак-Кеон была в восторге, когда наконец увидела струю углекислого газа, вырывающуюся из порошкообразного имитатора.
«Это было поздно вечером в пятницу, и руководитель лаборатории ворвалась, услышав мои крики», — сказала Мак-Кеоун, которая работала над созданием такого шлейфа в течение пяти лет. «Она подумала, что произошел несчастный случай».
Вырываясь наружу, темные струи проделывали отверстия в имитаторе, извергая имитатор в течение 10 минут, прежде чем весь сжатый газ был выброшен.
Эксперименты включали сюрприз, который не был отражен в модели Киффера: лед образовался между зернами имитатора, а затем расколол его. Этот альтернативный процесс может объяснить, почему у пауков более «трещиноватый» вид. Происходит это или нет, по-видимому, зависит от размера зерен почвы и того, как под землей находится вложенный водяной лед.
«Это одна из тех деталей, которые показывают, что природа немного сложнее, чем ее изображают в учебниках», — сказала Серина Диниега из JPL, соавтор статьи.
Эти образования, похожие на «пауков» Красной планеты, появились в имитаторе марсианского грунта во время экспериментов в камере DUSTIE JPL. Лед из углекислого газа, замороженный в имитаторе, нагревался нагревателем снизу, превращая его обратно в газ, который в конечном итоге прорывался через замороженный верхний слой и образовывал шлейф. Кредит: NASA / JPL-Caltech
Что дальше в области тестирования шлейфа?
Теперь, когда условия для образования шлейфов найдены, следующим шагом будет попытка провести те же эксперименты с имитацией солнечного света сверху, а не с использованием нагревателя снизу. Это может помочь ученым сузить диапазон условий, при которых могут возникнуть шлейфы и выброс почвы.
Все еще есть много вопросов о пауках, на которые нельзя ответить в лаборатории. Почему они образовались в одних местах на Марсе, но не в других? Поскольку они, по-видимому, являются результатом сезонных изменений, которые все еще происходят, почему они, по-видимому, не растут в числе или размере с течением времени? Возможно, они остались с давних времен, когда климат на Марсе был другим, и поэтому могут предоставить уникальное окно в прошлое планеты.
На данный момент лабораторные эксперименты будут настолько близки к паукам, насколько это возможно для ученых. Оба марсохода Curiosity и Perseverance исследуют красную планету вдали от южного полушария, где появляются эти образования (и где никогда не приземлялся ни один космический аппарат). Миссия Phoenix, которая приземлилась в северном полушарии, продлилась всего несколько месяцев, прежде чем поддалась сильному полярному холоду и ограниченному солнечному свету.
