Марс, возможно, теряет воду быстрее, чем предполагалось. Наблюдения, проведённые с помощью российского спектрометра АЦС на борту марсианского аппарата ТГО проекта «ЭкзоМарс», показали, что сезонное увеличение водяного пара в верхней атмосферы планеты может быть гораздо большим, чем предполагалось раньше, и он может находиться в перенасыщенном состоянии даже в присутствии облаков.

Статья с результатами работы опубликована в журнале Science 9 января 2020 г.

Вода на современном Марсе сосредоточена, в основном, в его полярных шапках. Если распределить её по всей поверхности планеты, то глубина водного слоя составит не более 30 м, и это менее 10 процентов того количества воды, которое, как считается, было раньше, во времена «теплого и влажного» раннего Марса.

Воды в атмосфере планеты ещё меньше: если осадить её, то толщина слоя составит всего 10 микрон (один микрон — миллионная доля метра, 10-6 м). Но именно через атмосферу Марс постоянно «теряет» воду: молекулы воды распадаются на атомарные кислород и водород, которые поднимаются до достаточно больших высот и уже оттуда улетают в межпланетное пространство.

Схематичное представление «убегания» воды из атмосферы Марса. Солнечные лучи нагревают полярные шапки, молекулы воды испаряются в атмосферу. Ветер переносит их в более высокие и холодные слои атмосферы. Здесь они могут конденсироваться в облака («холодные ловушки») и остаться в атмосфере планеты. Но образование облаков на Марсе часто подавлено, так что атмосфера оказывается перенасыщена водяным паром, который может подниматься ещё выше и распадаться на атомы водорода и кислорода под действием солнечного ультрафиолета. Изображение ESA

Эта общая картина, однако, до сих пор не разработана в деталях. Один из нерешённых вопросов состоит в том, насколько быстро молекула воды может пройти весь путь: от попадания в атмосферу до превращения в водород и ухода из атмосферы. Это во многом зависит от того, как высоко могут подниматься молекулы воды. Соответственно, исключительно важными становятся наблюдения за водяным паром, его концентрацией и распределением по высоте.

Анна Фёдорова, заведующая лабораторией отдела физики планет ИКИ РАН и первый автор статьи, опубликованной в Science 9 января 2020 г., и её коллеги из ИКИ и научных организаций Европы и Австралии исследовали этот вопрос с помощью данных спектрометрического комплекса АЦС на марсианском аппарате Trace Gas Orbiter (TGO) проекта «ЭкзоМарс».

АЦС успешно работает на орбите у Марса с весны 2018 года. В его состав входят три инфракрасных спектрометра, чувствительных к малым составляющим марсианской атмосферы. С апреля 2018 по март 2019 (это примерно половина марсианского года) АЦС провёл порядка 1700 тысяч наблюдений в так называемом «режиме солнечных затмений». В этом режиме спектрометры комплекса АЦС смотрят на Солнце через атмосферу Марса, и регистрируют не просто наличие тех или иных химических соединений, но ещё и их концентрацию в зависимости от высоты. Таким образом были получены данные о концентрации молекул воды, а также о температуре и давлении атмосферы и количестве пыли в ней.

«Необходимо понять, каким образом воды может попадать в верхние слои атмосферы, — говорит Анна Фёдорова. — Один из важных механизмов, блокирующий воду в нижней атмосфере, как и на Земле, — облака. Они появляются, когда парциальное давление водяного пара (это давление, которое имел бы пар, если бы заполнял весь объём, занятый смесью газов) превышает некоторое пороговое значение. Этот порог насыщения зависит от температуры. Облака, по идее, играют роль «холодной ловушки» для молекул воды, так как не дают им подниматься выше. Но если комбинация температуры и давления таковы, что порог насыщения повышается, то часть водяных молекул может избежать этой «ловушки». При этом очень важно, насколько много пыли в атмосфере, так как её частицы служат ядрами конденсации при формировании облаков».

За время наблюдений Марс проходил перигелий орбиты, то есть находился около её ближайшей к Солнцу точки. В это время в его южном полушарии лето сменило весну и произошли две пылевые бури, в том числе одна глобальная, накрывшая всю планету.

По данным АЦС, в это время в обоих полушариях коэффициент перемешивания водяного пара (water vapor mixing ratio или VMR), который измеряется в количестве частиц на миллион, оказался достаточно высоким. Более влажным всё-таки оказалось южное полушарие: показатель VMR превысил 50 частиц на миллион на высотах от 50 до 100 км, тогда как в северном полушарии он, скорее, уменьшался со временем.

Кроме этого, в южном полушарии наблюдались периодические повышения концентрации водяного пара до высоты 100 км, а в северном полушарии это произошло только во время глобальной пылевой бури. Не обнаружилось и корреляции с локальным повышением температуры. Таким образом, транспорт водяного пара, видимо, связан с более крупномасштабным механизмом атмосферной циркуляции, который затрагивает сразу все полушарие.

Но важнейшим результатом работы стали наблюдения за водяным паром в состоянии перенасыщения.

Термин «перенасыщенное состояние» означает, что количество водяного пара, которое находится в определенном объеме атмосферных газов, больше значения, максимального для данной температуры. Ранее предполагалось, что в атмосфере Марса в случае перенасыщения «лишняя» вода мгновенно кристаллизуется. Как следствие, выше некоторой высоты должно происходить резкое падение парциального давления водяного пара в марсианской атмосферы (или, проще, содержание водяного пара должно резко падать).

В 2011 г. исследователи из лаборатории LATMOS (Франция) и ИКИ РАН, в число которых входила Анна Фёдорова и ее соавторы, используя данные аппарата «Марс-Экспресс», показали, что водяной пар может существовать в состоянии перенасыщения на высотах около 30 км летом в северном полушарии (период прохождения Марсом афелия) в узком диапазоне широт. Теперь АЦС обнаружил значительные области перенасыщения летом в южном полушарии.

По новым данным, водяной пар в перенасыщенном состоянии существует в обоих полушариях на высотах от 5 до 30 км, при этом корреляции с наличием или отсутствием облаков не наблюдалось.

В южном полушарии, в частности, наблюдался некоторый «слой», содержащий водяной пар в перенасыщенном состоянии, на высотах от 15 до 40 км. Во время региональной пылевой бури эта особенность исчезла, но после неё восстановилась и снова постепенно исчезла ко времени весеннего равноденствия.

Ещё выше, от 70 до 80 км, «перенасыщенный» водяным паром слой атмосферы существовал, по-видимому, все время, в том числе при наличии облаков. Это обстоятельство косвенно подтверждает наличие некоторого эффективного механизма, который переносит воду в верхние слои атмосферы. На высоте 50–60 км также время от времени наблюдались перенасыщенные водяным паром «участки» атмосферы и, как и на более низких высотах, одновременно с облаками.

Результаты исследования содержания водяного пара в атмосфере Марса с помощью спектрометрического комплекса АЦС. Слева: северное полушарие, справа: южное полушарие. Цветом показаны значения различных параметров в зависимости от высоты (по вертикали) и меридиана (по горизонтали). А: карта наблюдений в режиме солнечных затмений, красным показаны наблюдения во время восхода Солнца(утра), синим — захода Солнца (вечера). B: температура атмосферы. C: коэффициент перемешивания водяного пара. D: насыщение водяного пара (синим цвет соответствует областям, где водяной пар находится в ненасыщенном состоянии). E: водяной пар (синий цвет) и пыль (коричневый цвет) в атмосфере Марса (коэффициенты экстинкции). Изображение из статьи Anna A. Fedorova et al. DOI: 10.1126/science.aay9522

О чём говорят эти результаты?

Видимо, на перенос водяного пара в атмосфере, кроме наличия или отсутствия пыли, которая способствует конденсации облаков, а также нагревает атмосферу, влияют и другие обстоятельства. Во время прохождения Марсом перигелия в южном полушарии планеты водяной пар постоянно наблюдался на достаточно больших высотах.

Кроме этого, водяной пар находится в состоянии перенасыщения в довольно больших объёмах марсианской атмосферы и достаточно спокойно «проходит» через облачный слой, а значит, достигает тех высот, откуда ему проще уйти из атмосферы в межпланетное пространство.

«Мы наблюдаем водяной пар в состоянии перенасыщения вместе с наличием частиц льда в атмосфере, и значит, процесс конденсации не «собирает» весь лишний водяной пар в облака — говорит Анна Фёдорова. — Возможно, здесь играют роль резкое уменьшение температуры и/или высокая скорость переноса воды в атмосфере, так что облака просто не успевают сконденсироваться».

Ещё один вывод статьи заключается в том, что сезонные изменения во время прохождения перигелия могут иметь большее значение, чем предполагалось ранее. В это время именно в южном полушарии начинается более интенсивный подъём воздушных масс, а вместе с ними и водяного пара. Возможно, на геологических масштабах времени именно этот механизм определяет темпы, которыми Марс теряет воду.

***

Проект «ЭкзоМарс» — совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства.

Проект реализуется в два этапа. Первая миссия с запуском в 2016 году включает два космических аппарата: орбитальный Trace Gas Orbiter (TGO) для наблюдений атмосферы и поверхности планеты и посадочный модуль «Скиапарелли» (Schiaparelli) для отработки технологий посадки.

Научные задачи аппарата TGO — регистрация малых составляющих марсианской атмосферы, в том числе метана, картирование распространенности воды в верхнем слое грунты с высоким пространственным разрешением порядка десятков км, стереосъёмка поверхности. На аппарате установлены два прибора, созданные в России: спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suit, Комплекс для изучения химии атмосферы) и нейтронный телескоп высокого разрешения ФРЕНД (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector). Также Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон» с разгонным блоком «Бриз-М».

Второй этап проекта (запуск 2020 г.) предусматривает доставку на поверхность Марса российской посадочной платформы с европейским автоматическим марсоходом на борту. Россия также предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М».

В рамках обоих этапов в России создаётся объединенный с ЕКА наземный научный комплекс проекта «ЭкзоМарс» для приёма, архивирования и обработки научной информации.

- Новости проекта «ЭкзоМарс»