Наше Солнце постоянно испускает поток высокоскоростных заряженных частиц, известный как солнечный ветер. В отличие от Земли, у Марса нет сильного глобального магнитного поля, которое защищало бы его атмосферу от этого потока. В результате солнечный ветер может напрямую взаимодействовать с верхними слоями атмосферы Марса и постепенно вытеснять атмосферные частицы в космос.
Новое исследование под руководством ученых из Бостонского университета, опубликованное в Science Advances, показало, что этот процесс может происходить подобно тому, как ветер дует над поверхностью воды. На Земле ветер может создавать волны и вихри на поверхности воды. На Марсе солнечный ветер может аналогичным образом «возмущать» верхние слои атмосферы планеты и генерировать большие пограничные волны, известные как волны Кельвина — Гельмгольца.
Первый автор исследования Чи Чжан использовал в работе данные миссий MAVEN и «Тяньвэнь-1». «Тяньвэнь-1» служил монитором солнечного ветра, а MAVEN наблюдал за выбросом ионов из атмосферы вблизи Марса, что позволило напрямую связать условия солнечного ветра в реальном времени с выбросом ионов из атмосферы Марса.
Большие облака плазмы в верхних слоях атмосферы Марса способствуют «массовому испарению» атмосферных ионов. Хотя ранее было предложено несколько механизмов образования этих облаков, их происхождение оставалось неясным из-за отсутствия прямых наблюдений. Основная сложность в установлении связи между солнечным ветром и испарением атмосферы Марса заключалась в том, что ни один космический аппарат не мог одновременно измерять как невозмущенный солнечный ветер, так и испаряющиеся атмосферные ионы вблизи Марса.
В более раннем исследовании, опубликованном в Nature Communications, Чжан и его коллеги продемонстрировали, что одновременные наблюдения с аппаратов MAVEN и «Тяньвэнь-1» могут напрямую связать изменения в солнечном ветре с окружающей средой в марсианском космическом пространстве. Новое исследование, основанное на наблюдениях с двух космических аппаратов, выявило волны Кельвина — Гельмгольца как ключевой механизм, способствующий испарению ионов из атмосферы.
Чжан и его коллеги также показали, что этот процесс происходит неравномерно по всей планете. «В основном он наблюдается на одной стороне планеты, в зависимости от направления электрического поля солнечного ветра», — сказал Чжан.
«Последующие исследования будут сосредоточены на выявлении условий, способствующих образованию и росту волн Кельвина — Гельмгольца, а также на определении того, насколько они способствуют улетучиванию атмосферы Марса», — отметил Чжан. Для работы потребуется больше наблюдений с космических аппаратов и усовершенствованное численное моделирование.
«Мы хотим знать, когда эти волны формируются с наибольшей вероятностью, как они развиваются и насколько сильно способствуют испарению атмосферы, — говорит Чуаньфэй Донг, преподаватель Центра космической физики Бостонского университета. — Этот процесс может происходить и на других планетах, не имеющих сильного магнитного поля, в том числе на некоторых экзопланетах».
Считается, что Марс когда-то был потенциально пригоден для жизни, имел более плотную атмосферу и жидкую воду на поверхности. Понимание того, как он превратился в холодную и сухую планету, которую мы видим сегодня, важно для осознания того, как планетарная среда эволюционирует с течением времени.
[Фото: Chi Zhang, Boston University]
