Новые данные о высвобождении водорода из атмосферы Марса благодаря «Хабблу» и MAVEN

Когда-то Марс был планетой, богатой водой. Однако сегодня он представляет собой засушливую пустыню. Что случилось со всей этой водой? Как она ушла с поверхности? Рассеялась ли она в космосе или просочилась под землю? Если она рассеялась, то какие процессы способствовали этому событию?

Недавно благодаря совместным наблюдениям космического телескопа «Хаббл» и марсианского орбитального аппарата НАСА MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) ученым удалось лучше понять процесс, в результате которого вода Марса, по-видимому, рассеялась в космическом пространстве.

В частности, исследование, проведенное под руководством Джона Кларка из Центра космической физики Бостонского университета, было посвящено улетучиванию атомов водорода, ключевого компонента воды, из его атмосферы. Полученная информация позволила исследователям экстраполировать скорость выхода водорода в прошлое, чтобы понять историю потери воды на планете.

Уход водорода с Марса

Один из основных механизмов, который, согласно нашим современным знаниям и теориям, объясняет потерю воды с Марса, связан с выходом водорода из атмосферы.

Когда солнечный свет падает на молекулы воды в разреженной марсианской атмосфере, они разделяются на атомы водорода и кислорода. Водород, будучи легким, легко вырывается из-под гравитации планеты и рассеивается в космическом пространстве.

Изображение атомарного водорода, рассеивающего солнечный свет в верхних слоях атмосферы Марса и за его пределами, полученное с помощью спектрографа Imaging Ultraviolet Spectrograph орбитальной миссии НАСА MAVEN. Для создания изображения было использовано около 400 000 наблюдений.

Основным фактором в этом процессе является наличие дейтерия, более тяжелой формы водорода, который улетучивается медленнее. Со временем, когда водорода теряется больше, чем дейтерия, в атмосфере увеличивается соотношение дейтерия и водорода. Измеряя это соотношение, ученые могут оценить процессы, которые определяли скорость утечки за последние 4 миллиарда лет, и, следовательно, определить, сколько воды было на Марсе в прошлом.

Динамичная и турбулентная атмосфера

Орбитальный аппарат MAVEN недостаточно чувствителен, чтобы наблюдать выброс дейтерия в любое время марсианского года. Ведь по сравнению с Землей Марс гораздо дальше от Солнца на своей эллиптической орбите во время долгой марсианской зимы, и выбросы дейтерия становятся слабыми.

Поэтому Кларку и его команде понадобились данные Хаббла, чтобы заполнить пробелы в MAVEN и завершить годовой цикл наблюдений в течение трех марсианских лет (каждый из которых длится 687 земных дней). Телескоп Хаббл также предоставил дополнительные данные, начиная с 1991 года, до прибытия MAVEN на Марс в 2014 году.

Совместные наблюдения ваших приборов показали, что марсианская атмосфера более динамична и сложна, чем предполагалось ранее. Ранее считалось, что атомы водорода и дейтерия медленно перемещаются в верхние слои атмосферы, а затем улетучиваются в космос. Однако оказалось, что сезонные колебания и эллиптическая орбита Марса приводят к быстрому нагреву атмосферы, особенно когда планета приближается к Солнцу.

Изображения Хаббла в дальнем ультрафиолете Марса в самой дальней точке от Солнца, афелии, 31 декабря 2017 года (вверху) и вблизи ближайшего сближения с Солнцем, перигелии, 19 декабря 2016 года (внизу). Очевидно, что атмосфера ярче и обширнее, когда Марс находится близко к Солнцу.

Каждый марсианский год, когда планета Марс приближается к нашей звезде, вода быстро прокладывает себе путь в верхние слои, где молекулы расщепляются солнечным светом и выбрасываются в атмосферу. Кроме того, столкновения с протонами в солнечном ветре дают дополнительную энергию и ускоряют бегство этих атомов.

Почему эти результаты важны?

Полученные данные свидетельствуют о том, что выход водорода из атмосферы Марса действительно был процессом, играющим очень важную роль в определении потери воды с Красной планеты. Хотя он не единственный, и, конечно, для получения однозначных ответов потребуются дальнейшие, еще более глубокие исследования, не связанные с этим.

Пока же подобные результаты важны не только для понимания истории Марса, но и для изучения других потенциально пригодных для жизни планет. Марс, как и Земля и Венера, находится в обитаемой зоне нашей Солнечной системы, где может существовать жидкая вода. Однако климатическая эволюция на каждой планете была совершенно разной.

Изучая, как исчезла вода на Марсе, ученые могут получить подсказки о том, как могут развиваться планеты, вращающиеся вокруг других звезд.

Кроме того, понимание того, как была потеряна вода, помогает предсказать судьбу Марса и то, сможет ли он когда-нибудь снова стать пригодным для жизни.

Результаты исследования были опубликованы в статье в журнале Science Advances, с которой можно ознакомиться здесь.