Ученые: как Солнце "качает" воду с Марса

Физики из России и Германии предложили объяснение новым данным с марсианских спутников, зафиксировавших "бегство" атомов водорода из верхних слоев атмосферы в космическое пространство.

Разработанная модель хорошо согласуется с наблюдениями и позволяет объяснить ряд ранее непонятных явлений в атмосфере Марса. Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.

Марсианская атмосфера холодна и разрежена, напоминает этим земную на больших высотах. При таких условиях вода находится не в жидкой фазе, а образует облака, состоящие из мелких кристалликов льда. На Земле подобные облака возникают на высоте шести километров от поверхности и называются перистыми.

Поскольку эти кристаллики достаточно тяжелы, основная масса воды сосредоточена в нижнем слое атмосферы, толщина которого составляет порядка 60 километров. Однако данные, полученные от американского спутника MAVEN (от Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN — "Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе") и космического телескопа "Хаббл", свидетельствуют о периодическом потоке атомов водорода, покидающих планету.

Единственным их источником может быть вода, распадающаяся в верхних слоях атмосферы (70-80 километров от поверхности) под воздействием ультрафиолета на кислород и водород.

Ученые предположили, каким образом происходит "заброс" воды на, казалось бы, недоступную высоту. Согласно наблюдениям, количество атомов водорода, улетающих в космическое пространство, возрастает во время летнего солнцестояния в Южном полушарии и при пылевых бурях.

[news_post id='5014725' name='' img='' align='left']

Причем колебания концентрации воды в верхних и нижних слоях атмосферы происходят одновременно. В связи с этим физики выдвинули гипотезу о существовании некого "насоса", "закачивающего" воду вверх, и с помощью численного моделирования объяснили его природу.

Основой послужила разработанная в институте Макса Планка (Геттинген, Германия) модель общей циркуляции атмосферы Марса (Martian general circulation model, MPI–MGCM). В ней детально описывается перенос воды с поверхности в термосферу (слой атмосферы, где температура падает с набором высоты) и учитывается влияние пылевых бурь.

Ранее учеными из МФТИ и их соавторами из Германии и Японии была представлена модель, описывающая распределение водяного пара и льда в атмосфере Марса в течение года, — она также стала частью более общего описания происходящих процессов. В отличие от предыдущих работ, в новом моделировании учитывался процесс фотодиссоциации воды.

На крыльях ветра

Поскольку происходящие в атмосфере Марса процессы обладают выраженной сезонностью, часто возникает необходимость обозначить период времени, в который происходит то или иное событие.

На Земле мы просто назвали бы дату — например, 20 марта, день весеннего равноденствия. Но, несмотря на то, что для Марса был разработан свой календарь (Дариский календарь), состоящий из 24 месяцев по 27–28 дней, пользоваться им не очень удобно.

Не так просто по фразе "двадцатый день месяца Рыб" сообразить, о каком времени года и в каком полушарии идет речь. На практике вместо даты гораздо удобнее указать точку орбиты, в которой на данный момент находится планета. Для этого используется солнечная долгота (рис. 1).

Рисунок 1. Солнечная долгота (Ls) — угол между воображаемыми прямыми, соединяющими Солнце и Марс во время весеннего равноденствия (Ls=0°) и в текущий момент. Ls от 0° до 90° соответствует весне в северном полушарии, 90°÷180° — лету, 180° ÷ 270° — осени, 270° ÷360° — зиме. Орбита Марса гораздо более вытянута по сравнению с почти круговой земной, лето в северном полушарии приходится на положение планеты в афелии (наиболее отдаленной от Солнца точке орбиты), лето в южном выпадает на прохождение перигелия (ближайшей к Солнцу точки). Поэтому «северное» лето гораздо холоднее "южного"

Моделирование показало, что концентрация воды в атмосфере сильно меняется в течение года, достигая наибольших величин при солнечной долготе от 200° до 300°, во время которой планета проходит перигелий, ближайшую к Солнцу точку орбиты (рис. 2).

"Потоки водяного пара максимальны при Ls=260°, соответствующей южному лету, во время которого средняя температура на планете также максимальна.

В период с Ls=220° по 300° лед на поверхности Марса в южных широтах интенсивно сублимируется, причем на высоте ниже 40 км образовавшаяся вода существует в виде водяного пара, а выше формирует ледяные облака", — рассказал Дмитрий Шапошников, ведущий автор статьи, научный сотрудник лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ.

Сезонные ветра, дующие вдоль меридианов, переносят тепло и влагу из "летнего" полушария в "зимнее". Распределение потоков на высоте более 120 км свидетельствует о том, что в нижних и примыкающих к ним средних широтах присутствуют и другие ветры, но их вклад в общую картину не столь велик.

Рисунок 2. Концентрация водяного пара в атмосфере в зависимости от солнечной долготы, высоты от поверхности и географической широты. Синим цветом показаны нисходящие потоки, красным — восходящие.

[news_post id='4958601' name='' img='' align='left']

Основная масса воды сосредоточена в нижних слоях атмосферы, на высоте не более 30 км, но расчеты показали, что вода может "просочиться" в верхние слои атмосферы, попав в небольшой восходящий поток водяного пара, расположенный между 20° и 70° южной широты, существующий лишь в период перигелия, — своего рода "бутылочное горлышко" (рис. 2с).

Если воде удается его преодолеть, сезонные ветра несут ее на север, к полюсу. По дороге некоторая часть H2O распадается под действием ультрафиолета на водород и кислород, а основная, вместе с остывающим воздухом, вновь опускается в нижние слои атмосферы и конденсируется в районе северного полюса. Таким образом формируется северная полярная шапка Марса (южная значительно меньше).

Пыль да туман

Пылевые бури, порой захватывающие собой всю планету, естественно, влияют и на круговорот воды, причем достаточно сложным образом. Во-первых, загрязненный воздух сильнее нагревается, что препятствует конденсации воды.

Во-вторых, на частицах пыли легче формируются ледяные кристаллики (пыль служит зародышем новой фазы) и, следовательно, образуется больше облаков. В-третьих, бури оказывают влияние на циркуляцию воздушных потоков вдоль меридианов.

Для изучения влияния сильных бурь были взяты параметры глобальной пылевой бури, произошедшей в период перигелия в 28 марсианском году (отсчет ведется от 11 апреля 1955 года), или в 2006–2007 земном. Моделирование показало, что температура при этом увеличилась на 20०С на Южном полюсе и более чем на 45 — на Северном. Ветра, дующие от полюса к полюсу, также усилились.

Дмитрий Шапошников поясняет: "Более интенсивный разогрев атмосферы на севере связан с тем, что приходящий туда с юга воздушный поток остывает, интенсивно обрушивается на поверхность планеты и при этом передает ей энергию, которая переходит в тепловую (рис. 3).

Наши расчеты показали, что повышение температуры при пылевой буре приводит к увеличению концентрации водяного пара и интенсивности циркуляции воздушных потоков".

Рисунок 3. Температура атмосферы и концентрация водяного пара в зависимости от высоты над поверхностью и географической широты. Стрелками показаны направления дующих ветров, толщина стрелки соответствует силе ветра. На рисунок 3с нанесены изотермы — линии, соединяющие точки с одинаковой температурой (обозначена числом на линии). На 3d число на изотерме показывает, насколько температура при пылевой буре отличается от обычной.

Повышенное содержание воды приводит к тому, что толщина гидросферы увеличивается с 60 до 70 км. Ледяные облака при этом становятся более плотными и располагаются выше. Из-за увеличения количества частиц пыли в воздухе формируется большое количество мелких ледяных кристалликов, которые оседают медленнее, чем большие.

За счет этого ледяные облака при буре располагаются выше и удерживают больше влаги. Таким образом, повышенное содержание пыли в воздухе помогает воде преодолеть "бутылочное горлышко" и попасть в верхние слои атмосферы.

Владычица приливов — Солнце?

На Земле за приливы и отливы отвечает Луна. Спутники Марса Фобос и Деймос слишком малы. Солнце оказывает наибольшее влияние на планету, его притяжение действует и на водяные пары. В результате днем наблюдается "отлив" — формирование восходящего потока водяного пара, а вечером образуется нисходящий поток — "прилив" (рис. 4).

"Солнце работает как насос, который, „включаясь“ днем, помогает воде преодолеть высоту в 60 км над поверхностью. При пылевой буре концентрация влаги в воздухе и скорость воздушных потоков выше, поэтому „насос“ способен поднять воду на большую высоту", — объясняет Дмитрий Шапошников.

Рисунок 4. Распределение давления водяных паров в зависимости от высоты над поверхностью и времени суток. Расчеты производились для периода от 250० до 270० солнечной долготы, в точке с координатами приблизительно 75० южной широты и 0० восточной долготы. Синим цветом обозначены нисходящие потоки паров, красным — восходящие. Контуры соединяют точки с равной скоростью движения воздушных масс, число на контуре, положительное для восходящих потоков и отрицательное для нисходящих, обозначает скорость этого движения в м/с. Слева — результаты расчетов для обычной загрязненности воздуха, справа — для пылевой бури.

Теория, мой друг, суха…

Для проверки адекватности модели авторы сравнили полученные результаты с данными, собранными Марсианским разведывательным спутником (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) в 28 марсианском году. И моделирование, и эксперимент показали увеличение концентрации воды в атмосфере во время перигелия (рис. 5).

К сожалению, измерения, проведенные MRO непосредственно во время глобальной пылевой бури и на высотах, больших 80 км, оказались неудачными. Однако на наибольшей доступной для измерений этим аппаратом высоте, порядка 70–80 км, измеренные и вычисленные значения концентрации водяного пара оказались примерно одинаковы: 70÷80 см3/м3.

[news_post id='4991776' name='' img='' align='left']

Также хорошо согласуются с моделированием результаты ночных измерений непосредственно перед началом глобальной бури (Ls = 200°÷250°) на высоте 40–50 км, показывая увеличение концентрации воды в нисходящем потоке водяного пара. Заметим, однако, что, согласно данным MRO, концентрация воды максимальна на высоте 40–50 км, модель же подразумевает убывание концентрации с высотой.

Возможно, это следствие того, что распределение частиц пыли по размерам, заданное в модели, отличается от реального. Также модель предсказывает резкое падение содержания воды в атмосфере после Ls = 330°, что не находит подтверждения в экспериментальных данных.

Однако экспериментальные и расчетные распределения концентрации воды в зависимости от сезона довольно схожи (смотрите рис. 5). Оба демонстрируют наличие в круговороте воды на Марсе "бутылочного горлышка", которое вода может преодолеть лишь в определенное время перигелия. Вероятность прохождения увеличивается, если перигелий совпадает с пылевой бурей.

Рисунок 5. Распределение давления водяного пара в атмосфере в течение года в зависимости от высоты над поверхностью днем (a, b) и ночью (c, d). Слева представлены данные, полученные Марсианским разведывательным спутником, справа — рассчитанные моделью.

"Новая модель хорошо согласуется с наблюдениями, позволяет объяснить ряд явлений в атмосфере Марса (наличие паров воды на высоте более 80 км, сезонные колебания, влияние пылевых бурь, влияние солнечных приливов) и может быть использована для проверки новых гипотез", — комментирует Александр Родин, один из авторов исследования, руководитель лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ.

Он добавляет: "Мы с нетерпением ждем данных российского спектрометрического комплекса ACS международного проекта "ЭкзоМарс": его возможности намного шире, чем у аппаратуры MRO, на данные которой мы опирались. Кроме того, исследование показывает, насколько существенными для глобального климата могут оказаться процессы, локализованные в полярных областях планеты. Это, кстати, в полной мере касается и нашей Земли".