Вылетел в трубу

Планетологи НАСА с помощью спутника на околомарсианской орбите определили точную причину превращения Красной планеты в безжизненную пустыню. Оценив объемы атмосферы, потерянные из-за солнечного ветра, ученые установили, что этого было достаточно для исчезновения с поверхности жидкой воды. «Лента.ру» подробно рассказывает об исследовании, опубликованном в журнале Science.

Марс — одна из ближайших к Земле планет. В отличие от Венеры, чью плотную и горячую атмосферу не выдерживают даже исследовательские аппараты, Красная планета более комфортна для людей, которые в будущем, скорее всего, прогуляются в скафандрах по ее поверхности. Более того, все новые исследования подтверждают, что на Марсе когда-то текли реки, а воздух там был не таким разреженным. На это, например, указывают недавно открытые следы гигантских волн, которые могли быть вызваны падением астероида.

Обилие воды и кислорода, возможно, создавало среду, пригодную для жизни. Некоторые ученые предполагают, что 3,5-2,5 миллиарда лет назад на Марсе могла существовать биосфера. Однако сейчас планета представляет собой безводную пустыню. По оценкам планетологов, Марс почти полностью лишился воды несколько десятков миллионов лет назад. Когда на Земле жили динозавры, на Красной планете, возможно, еще существовали редкие озера. Не радует и разреженная атмосфера, состоящая преимущественно из углекислого газа и неспособная защитить гипотетических микробов от ионизирующего излучения.

Что же вызвало глобальную катастрофу, превратившую богатую водой планету в царство пыльных бурь? Ученые давно пытаются ответить на этот вопрос, и не из праздного любопытства. Это поможет понять будущее Земли, на которую, по мнению исследователей, Марс был в свое время очень похож. Планетологи полагают, что все дело в резком изменении глобального климата из-за слабого электромагнитного поля и утраты атмосферы.

Атмосфера Марса продолжает улетучиваться в космос. Изучение этого процесса и реконструкция климатических изменений прошлого проводится в рамках космической программы НАСА Mars Scout. К Красной планете отправили спутник MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) для наблюдения за атмосферой. Цель проекта — выяснить, какую роль сыграла потеря газов в превращении планеты в пустынный мир.

Объем потерь можно определить, рассчитав соотношение легких и тяжелых изотопов, например аргона. Газ, уходящий в космос, уносит преимущественно легкие ядра атомов (Ar³⁶), и в атмосфере преобладают тяжелые (Ar³⁸). Их повышенные концентрации в атмосфере Марса были выявлены специалистами НАСА еще в 2013 году. Спутник MAVEN, вышедший на орбиту вокруг Красной планеты в 2014 году, позволил подробнее раскрыть процессы, происходящие в верхних слоях газовой оболочки Марса.

Механизм улетучивания аргона достаточно прост. Солнечный ветер ускоряет ионы, в верхних слоях атмосферы они сталкиваются с атомами аргона и отбрасывают их в космос. Этот процесс одинаков для изотопов Ar³⁸ и Ar³⁶. Почему возникают различия? Дело в том, что более легкий изотоп Ar³⁶ достаточно быстро проникает в верхние слои атмосферы и поэтому в изобилии присутствует на уровне экзобазы, выше которой частицы могут беспрепятственно покидать планету, не сталкиваясь друг с другом. В результате этот изотоп уходит в космос в больших количествах, чем Ar³⁸.

Для определения концентрации изотопов в атмосфере использовался построенный в космическом центре Годдарда нейтральный и ионный масс-спектрометр (NGIMS). MAVEN выполнял измерения на разных высотах, в том числе на высоте 150 километров от поверхности. В результате исследователи установили уровень экзобазы и турбопаузы. Турбопауза — это слой атмосферы над гомосферой, где преобладают турбулентные перемешивания газов, и под гетеросферой, где доминирует молекулярная диффузия.

Высоту турбопаузы определили следующим образом. Взяли данные о соотношении N2/Ar⁴⁰ у поверхности Марса (1.25), полученные марсоходом Curiosity. Поскольку в гомосфере газы хорошо перемешиваются, это соотношение должно быть одинаковым вплоть до турбопаузы. MAVEN многократно измерил N2/Ar⁴⁰ на разных высотах и выявил корреляцию: чем больше высота, тем больше соотношение (азот легче аргона 40). Оставалось лишь экстраполировать результат на нижние слои атмосферы, куда спутник не мог добраться, — вплоть до значения, равного 1.25. Высота, на которой это произошло, и была высотой турбопаузы.

Установив уровень турбопаузы и экзобазы, ученые определили соотношение изотопов аргона между ними. Как и следовало ожидать, этот слой атмосферы был обогащен Ar³⁸. На основе этого соотношения и рассчитали объем потери газов. При этом пришлось учитывать то, что какое-то количество изотопов попадало в атмосферу благодаря вулканической активности, ударам астероидов и выветриванию пород. Окончательное значение доли аргона, ушедшего в космос, во всем количестве этого газа, когда-либо присутствовавшего в атмосфере, оказалось равно 66 процентам.

Эти результаты планетологи применили для расчета примерных потерь других газов. Так, сделан вывод о том, что из атмосферы из-за столкновения с ионами могло уйти 10-20 процентов углекислого газа. Потери кислорода были более катастрофичными, и последствия зависели от того, какой газ был источником улетучившегося кислорода. Если это диоксид углерода, то тогда потери CO2 в 30 раз превышают первоначальную оценку. В итоге давление могло снизиться более чем на одну атмосферу. Если же кислород находился в составе водяного пара, то больше потерялось воды.

Ранняя атмосфера Марса, по мнению ученых, была плотной и содержала достаточно CO2, чтобы парниковый эффект позволил воде на поверхности планеты существовать в жидком виде. Проведенное исследование показывает, что Красная планета превратилась в пустыню из-за потери значительной части газовой оболочки. И это не считая того, что Солнце миллионы лет назад могло быть более активным, что только увеличивает объемы выдуваемой атмосферы.

Александр Еникеев