Як Сонце «качає» воду з Марса

0
47


Фізики з Росії і Німеччини запропонували пояснення новими даними з марсіанських супутників, які зафіксували «втеча» атомів водню з верхніх шарів атмосфери в космічний простір.
Розроблена модель добре узгоджується зі спостереженнями і дозволяє пояснити ряд раніше незрозумілих явищ в атмосфері Марса. Дослідження опубліковане в журналі Geophysical Research Letters.
Марсіанська атмосфера холодна і розріджена, нагадує цим земну на великих висотах. При таких умовах вода знаходиться не в рідкій фазі, а утворює хмари, що складаються з дрібних кристаликів льоду. На Землі подібні хмари виникають на висоті шести кілометрів від поверхні і називаються пір’ястими.
Оскільки ці кристалики досить важкі, основна маса води зосереджена в нижньому шарі атмосфери, товщина якого становить близько 60 кілометрів. Проте дані, отримані від американського супутника MAVEN (від Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN — «Еволюція атмосфери і летких речовин на Марсі») і космічного телескопа «Хаббл», свідчать про періодичне потоці атомів водню, залишають планету.
Єдиним їх джерелом може бути вода, розпадається у верхніх шарах атмосфери (70-80 кілометрів від поверхні) під впливом ультрафіолету на кисень і водень.
Вчені припустили, яким чином відбувається «закидання» води на, здавалося б, недоступну висоту. Згідно зі спостереженнями, кількість атомів водню, що відлітають у космічний простір, зростає під час літнього сонцестояння в північній півкулі і при пилових бурях.
Причому коливання концентрації води у верхніх і нижніх шарах атмосфери відбуваються одночасно. У зв’язку з цим фізики висунули гіпотезу про існування якогось «насоса», «закачивающего» воду вгору, і за допомогою чисельного моделювання пояснили його природу.
Основою послужила розроблена в інституті Макса Планка (Геттінген, Німеччина) модель загальної циркуляції атмосфери Марса (Martian general circulation model, MPI–MGCM). У ній детально описується перенесення води з поверхні в термосферу (шар атмосфери, де температура падає з набором висоти) і враховується вплив пилових бур.
Раніше вченими з МФТІ та їх співавторами з Німеччини і Японії була представлена модель, що описує розподіл водяної пари і льоду в атмосфері Марса протягом року, — вона також стала частиною більш загального опису процесів, що відбуваються. На відміну від попередніх робіт, у новому моделюванні враховувався процес фотодисоціації води.
На крилах вітру
Оскільки відбуваються в атмосфері Марса процеси володіють вираженою сезонністю, часто виникає необхідність визначити період часу, в який відбувається та чи інша подія.
На Землі ми просто назвали дату — наприклад, 20 березня, день весняного рівнодення. Але, незважаючи на те, що для Марса був розроблений свій календар (Дариский календар), що складається з 24 місяців за 27-28 днів, користуватися ним не дуже зручно.
Не так просто по фразі «двадцятий день місяця Риб» збагнути, про якого часу року і в якій півкулі йде мова. На практиці замість дати набагато зручніше вказати точку орбіти, у якої на даний момент знаходиться планета. Для цього використовується сонячна довгота (рис. 1).
Как Солнце «качает» воду с Марса Космос
Малюнок 1. Сонячна довгота (Ls) — кут між уявними прямими, що з’єднують Сонце і Марс під час весняного рівнодення (Ls=0°) і в поточний момент. Ls від 0° до 90° відповідає весни в північній півкулі, 90°÷180° — літа, 180° ÷ 270° — осені, 270° ÷360° — зими. Орбіта Марса набагато більш витягнутим порівняно з майже кругової земної, і літо в північній півкулі припадає на положення планети в афелії (найбільш віддаленій від Сонця точці орбіти), літо в південному випадає на проходження перигелію (найближчій до Сонця точки). Тому «північне» літо набагато холодніше «південного» Моделювання показало, що концентрація води в атмосфері сильно змінюється протягом року, досягаючи найбільших величин при сонячній довготі від 200° до 300°, під час якої планета проходить перигелій, найближчу до Сонця точку орбіти (мал. 2).
«Потоки водяної пари максимальні при Ls=260°, відповідної південного літа, під час якого середня температура на планеті також максимальна.
У період з Ls=220° по 300° лід на поверхні Марса у південних широтах інтенсивно сублімується, причому на висоті нижче 40 км утворилася вода існує у вигляді водяної пари, а вище формує льодяні хмари», — розповів Дмитро Шапошников, провідний автор статті, науковий співробітник лабораторії прикладної інфрачервоної спектроскопії МФТІ.
Сезонні вітри, що дмуть уздовж меридіанів, переносять тепло і вологу з «літнього» півкулі «зимовий». Розподіл потоків на висоті понад 120 км свідчить про те, що в нижніх та прилеглих до них середніх широтах присутні і інші вітри, але їхній внесок у загальну картину не настільки великий.
Как Солнце «качает» воду с Марса Космос
Малюнок 2. Концентрація водяної пари в атмосфері залежно від сонячної довготи, висоти від поверхні та географічної широти. Синім кольором показані низхідні потоки, червоним — висхідні / Прес-служба МФТІ Основна маса води зосереджена в нижніх шарах атмосфери, на висоті не більше 30 км, але розрахунки показали, що вода може «просочитися» в верхні шари атмосфери, потрапивши в невеликій висхідний потік водяної пари, розташований між 20° і 70° південної широти, існуючий лише в період перигелію, — свого роду «пляшкове горлечко» (рис. 2с).
Якщо воді вдається подолати, сезонні вітри несуть її на північ, до полюса. По дорозі деяка частина H2O розпадається під дією ультрафіолету на водень і кисень, а основна, разом з остывающим повітрям, знову опускається в нижні шари атмосфери і конденсується в районі північного полюса. Таким чином формується північна полярна шапка Марса (південна значно менше).
Пил та туман
Пилові бурі, часом захоплюючі собою всю планету, природно, впливають і на кругообіг води, причому досить складним чином. По-перше, забруднене повітря сильніше нагрівається, що перешкоджає конденсації води.
По-друге, на частинках пилу легше формуються крижані кристалики (пил служить зародком нової фази) і, отже, утворюється більше хмар. По-третє, бурі впливають на циркуляцію повітряних потоків вздовж меридіанів.
Для вивчення впливу сильних бур були взяті параметри глобальної пилової бурі, яка сталася в період перигелію в 28 марсіанському року (відлік ведеться від 11 квітня 1955 року), або в 2006-2007 земній. Моделювання показало, що температура при цьому збільшилася на 20०С на Південному полюсі і більш ніж на 45 — на Північному. Вітри, що дмуть від полюса до полюса, також посилилися.
Дмитро Шапошников пояснює: «Більш інтенсивний розігрів атмосфери на півночі пов’язаний з тим, що приходить туди з півдня повітряний потік остигає, інтенсивно падає на поверхню планети і при цьому передає їй енергію, яка переходить в теплову (рис. 3).
Наші розрахунки показали, що підвищення температури при пилової бурі призводить до збільшення концентрації водяної пари та інтенсивності циркуляції повітряних потоків».
Как Солнце «качает» воду с Марса Космос
Малюнок 3. Температура атмосфери і концентрація водяної пари в залежності від висоти над поверхнею та географічної широти. Стрілками показані напрямки вітрів, товщина стрілки відповідає силі вітру. На малюнок 3с нанесені ізотерми — лінії, що з’єднують точки з однаковою температурою (позначено числом на лінії). На 3d число на ізотермі показує, наскільки температура при пилової бурі відрізняється від звичайної / Прес-служба МФТІ Підвищений вміст води призводить до того, що товщина гідросфери збільшується з 60 до 70 км. Льодяні хмари при цьому стають більш щільними і розташовуються вище. Через збільшення кількості частинок пилу в повітрі формується велика кількість дрібних льодяних кристаликів, які осідають повільніше, ніж великі.
За рахунок цього льодяні хмари при бурі розташовуються вище і утримують більше вологи. Таким чином, підвищений вміст пилу в повітрі допомагає воді подолати «пляшкове горлечко» і потрапити у верхні шари атмосфери.
Володарка припливів — Сонце?
На Землі за припливи і відливи відповідає Місяць. Супутники Марса Фобос і Деймос занадто малі. Сонце робить найбільший вплив на планету, його тяжіння діє і на водяні пари. В результаті вдень спостерігається «відплив» — формування висхідного потоку водяної пари, а ввечері утворюється спадний потік — «прилив» (рис. 4).
«Сонце працює як насос, який, „включаючись“ вдень, допомагає воді подолати висоту в 60 км над поверхнею. При пилової бурі концентрація вологи в повітрі і швидкість повітряних потоків вище, тому „насос“ здатний підняти воду на велику висоту», — пояснює Дмитро Шапошников.
Как Солнце «качает» воду с Марса Космос
Малюнок 4. Розподіл тиску водяних парів в залежності від висоти над поверхнею і часу доби. Розрахунки проводилися для періоду від 250० до 270० сонячної довготи, до точки з координатами приблизно 75० південної широти і 0० східної довготи. Синім кольором позначені низхідні потоки парів, червоним — висхідні. Контури з’єднують точки з однаковою швидкістю руху повітряних мас, число на контурі, позитивне для висхідних потоків і негативне для низхідних, позначає швидкість цього руху в м/с. Зліва — результати розрахунків для звичайної забруднення повітря, праворуч — для пилової бурі / Прес-служба МФТІ
Теорія, мій друг, суха…
Для перевірки адекватності моделі автори порівняли отримані результати з даними, зібраними Марсіанським розвідувальним супутником (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) в 28 марсіанському році. І моделювання, і експеримент показали збільшення концентрації води в атмосфері під час перигелію (рис. 5).
На жаль, вимірювання, проведені MRO безпосередньо під час глобальної пилової бурі і на висотах, великих 80 км, виявилися невдалими. Однак найбільшою доступною для вимірювань цим апаратом висоті, близько 70-80 км, виміряні та обчислені значення концентрації водяної пари виявилися приблизно однакові: 70÷80 см3/м3.
Також добре узгоджуються з моделюванням результати нічних вимірювань безпосередньо перед початком глобальної бурі (Ls = 200°÷250°) на висоті 40-50 км, показуючи збільшення концентрації води в низхідному потоці водяної пари. Зауважимо, проте, що, згідно з даними MRO, максимальна концентрація води на висоті 40-50 км, модель передбачає зниження концентрації з висотою.
Можливо, це наслідок того, що розподіл частинок пилу за розмірами, заданий в моделі, відрізняється від реального. Також модель пророкує різке падіння вмісту води в атмосфері після Ls = 330°, що не знаходить підтвердження в експериментальних даних.
Однак експериментальні і розрахункові розподіли концентрації води в залежності від сезону досить схожі (дивіться рис. 5). Обидва демонструють наявність в круговороті води на Марсі «пляшкового горлечка», яке вода може подолати лише в певний час перигелію. Ймовірність проходження збільшується, якщо перигелій збігається з пиловою бурею.
Как Солнце «качает» воду с Марса Космос
Малюнок 5. Розподіл тиску водяної пари в атмосфері протягом року в залежності від висоти над поверхнею днем (a, b) і вночі (c, d). Зліва представлені дані, отримані Марсіанським розвідувальним супутником, праворуч — розраховані моделлю / Прес-служба МФТІ «Нова модель добре узгоджується зі спостереженнями, дозволяє пояснити ряд явищ в атмосфері Марса (наявність парів води на висоті понад 80 км, сезонні коливання, вплив пилових бур, вплив сонячних припливів) і може бути використана для перевірки нових гіпотез, — коментує Олександр Родін, один з авторів дослідження, керівник лабораторії прикладної інфрачервоної спектроскопії МФТІ.
Він додає: «Ми з нетерпінням чекаємо даних російського спектрометричного комплексу ACS міжнародного проекту „Екзомарс“: його можливості набагато ширше, ніж у апаратури MRO, на яку ми спиралися. Крім того, дослідження показує, наскільки істотними для глобального клімату можуть виявитися процеси, локалізовані в полярних областях планети. Це, до речі, повною мірою стосується і нашої Землі».