Что мешает водяному пару разрушать озон на Марсе?

10 Авг 2021

Космический аппарат «Марс-Экспресс» (Mars Express, ESA) наблюдает в атмосфере Марса озона в два раза больше, чем предполагают существующие климатические модели.

Вывод был сделан на основе сопоставления количества озона и водяного пара в атмосфере. Группа французских и российских исследователей под руководством Франка Лефевра (Franck Lefevre, лаборатория LATMOS, Франция) проанализировала данные за 4 марсианских года (7,5 земных лет), полученные спектрометром SPICAM на борту аппарата. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Geophyscial Research: Planets.

Озон и цепочка химических реакций, в которой он участвует, важна не только и для Марса, но в не в меньше степени для Земли. Поэтому общий вывод о том, что современные химические модели появления и разрушения озона несовершенны, имеет прямое значение для исследований нашей планеты. Современные наблюдения, в том числе с помощью российского прибора ACS (миссия «ЭкзоМарс-2016») раскрывают многие подробности «жизни» этого важнейшего соединения.

Марсианская атмосфера на 95% процентов состоит из углекислого газа CO2. Оставшиеся 5% приходятся на долю азота (около 3% процентов), аргона (менее 2%) и так называемых «малых составляющих» (общая доля менее 1%), в числе которых водяной пар, кислород, озон и другие вещества, химические «взаимоотношения» которых чрезвычайно интересны, но пока ещё мало изучены.

Озон O3 рождается в атмосфере Марса, когда ультрафиолетовое излучение Солнца «разбивает» молекулы углекислого газа CO2. Получившийся атомарный кислород «соединяется» в молекулы озона O3.

При этом те же ультрафиолетовые фотоны разбивают на составные части и молекулы водяного пара H2O, производя в числе продуктов распада радикалы HOx. Они, в свою очередь, вступают в реакцию с озоном и разрушают его. Таким образом, в атмосфере Марса (и не только его) количество водяного пара должно обратно коррелировать с количеством озона: чем больше первого, тем меньше последнего, и наоборот.

Для исследования этой антикорреляции  были использованы данные инфракрасного и ультрафиолетового спектрометров SPICAM на борту космического аппарата «Марс-Экспресс» (ESA), уже более 15 лет работающего на орбите у Марса. Благодаря этому в распоряжении ученых есть длительные ряды измерений, в том числе период длиной 4 марсианских года, когда SPICAM одновременно измерял концентрации и озона в ультрафиолетовом, и водяного пара в инфракрасном диапазонах спектра. Измерения водяного пара проводили российские участники команды Александр Трохимовский и Анна Федорова (ИКИ РАН).

Действительно, антикорреляция между количеством озона и водяного пара была обнаружена в области высоких широт (от 60 градусов в южном и северном полушариях).

Данные этих наблюдений исследователи попробовали воспроизвести с помощью глобальной климатической модели марсианской атмосферы. Она была разработана в начале 2000 годов и с тех пор постоянно совершенствуется и, в частности, сейчас включает также фотохимическую часть.

Результат оказался неожиданным — при наблюдаемой концентрации водяного пара соответствующее содержание озона, согласно модели, должно быть в два раза ниже. Или, следовательно, «эффективность» радикалов HOx как «разрушителей озона» в модели преувеличена.

В чем может быть причина несогласия? Исследователи попробовали учесть тот факт, что реакции фотолиза CO2 могут идти более медленно при низких марсианских температурах или скорости химических реакции с радикалами HOx недостаточно точны. Но проблему это не решило.

Второе предположение — радикалы HOx могут эффективно взаимодействовать с частицами облаков ещё до того, как вступают в реакцию с озоном.

Действительно, с учетом этого модель стала лучше предсказывать реальные наблюдаемые концентрации озона, но только для очень высоких северных широт.

Ранее SPICAM обнаружил, что водяной пар на Марсе может подниматься до гораздо больших высот, чем считалось. Все эти работы в совокупности означают, что фотохимические модели марсианской атмосферы действительно следует пересмотреть, и количественно, и, может быть, качественно.

В пользу того, что с химией водорода и озона в марсианской атмосфере понятно не все, свидетельствуют и результаты аппарата TGO российской-европейской миссии «ЭкзоМарс-2016», а именно российского прибора ACS. За время своей работы, в частности, он обнаружил ранее неизвестные линии поглощения углекислоты, а также смог зарегистрировать полосу поглощения озона, ранее не измеряемую на Марсе. Их учет, возможно, важен для более полного понимания атмосферы планеты. Второе открытие ACS — хлороводород HCl, который активно взаимодействует с озоном. Третья работа, которая также связана с «тонкими эффектами» в марсианской атмосфере, — наблюдения угарного газа CO, который «реагирует» на присутствие водяного пара. Кстати, в свете последних работ стало ясно, что существующая модель недооценивает и содержание угарного газа в атмосфере.

Александр Трохимовский, главный специалист отдела физики планет ИКИ РАН: «Работа приборов комплекса АЦС на орбите существенно улучшает наше понимание физики атмосферы Марса. Это и ранее недоступное качество данных, а также глобальное покрытие, измерения вертикальных профилей и продолжающийся годами мониторинг. Озону в этих исследованиях, безусловно, уделяется большое внимание».

Изучение марсианского озона прямо связано с земным. За основу фотохимической модели Марса была взята модель мезосферы Земли. На высоте между 40–80 км газовая оболочка нашей планеты напоминает марсианскую. И хотя озоновый слой в земной атмосфере располагается ниже, но химические реакции, в которые он вступает, в том числе взаимодействие с радикалами HOx и хлором, в общем, те же, что можно встретить на Марсе. Поэтому открытия марсианских приборов вносят существенный вклад в понимание земной атмосферы и климата.

Иллюстрация (c) ESA
Озон на Марсе по данным миссии «Марс-Экспресс» (ESA). УФ-излучение Солнца «разбивает» молекулы углекислого газа и воды, из которых соответственно образуются озон и радикалы HOx. Далее радикалы HOx могут вступать в реакции озона и разрушать его.
Атмосфера Марса на 95% состоит из углекислого газа, поэтому ожидается, что в ней будет достаточно озона, при этом его содержание будет тем меньше, чем больше содержание водяного пара. Приборы миссии «Марс-Экспресс» наблюдают в два раза больше озона, чем предсказывают существующие модели. В числе возможных неучтенных факторов — особенности протекания химических реакций при низких температурах или взаимодействие радикалов HOx с облаками. Иллюстрация (c) ESA

***

«Марс-Экспресс» (Mars Express, MEX) — первая экспедиция Европейского космического агентства (European Space Agency, ESA) для исследования Марса: атмосферы, поверхности, истории его климата и окружающего пространства — с орбиты его искусственного спутника.

Проект был задуман после неудачи российского проекта «Марс-96», в котором участвовали многие европейские организации. Новая миссия должна была повторить ряд экспериментов, которые планировались на российском орбитальном аппарате (пять из семи научных приборов спутника были первоначально изготовлены для «Марса-96»). В ней участвуют ученые и специалисты Франции, Великобритании, Италии, Германии, Швеции, США, России и многих других стран.

Важная роль в проекте принадлежала Василию Ивановичу Морозу (1931–2004 гг.), тогда руководителю отдела физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН и научному руководителю миссии «Марс-96» с российской стороны. Для трех спектроскопических экспериментов на борту аппарата: PFS, OMEGA и SPICAM — инструменты были изготовлены с участием России. Российские ученые принимают участие во всех семи экспериментах проекта как соисследователи (co-investigators).

Дополнительная информация: 
  1. F. Lefèvre, A. Trokhimovskiy, A. Fedorova, L. Baggio, G. Lacombe, A. Määttänen, J.-L. Bertaux, F. Forget, E. Millour, O. Venot, Y. Bénilan, O. Korablev, F. Montmessin  Relationship Between the Ozone and Water Vapor Columns on Mars as Observed by SPICAM and Calculated by a Global Climate Model Journal of Geophyscial Research: Planets, 126, Issue 4, April 2021
  2. 23.07.2021 Better understanding of Earth’s atmospheric chemistry from studying Mars? Пресс-релиз ESA