Наблюдения, проведённые с помощью российского спектрометра ACS на борту марсианского аппарата TGO проекта «ЭкзоМарс», показали, что сезонное увеличение водяного пара в верхней атмосфере 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.
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% 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. Источник: 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 Федорова, заведующая лабораторией отдела физики планет ИКИ РАН и её коллеги из ИКИ и научных организаций Европы и Австралии исследовали этот вопрос с помощью данных спектрометрического комплекса ACS на марсианском аппарате Trace Gas Orbiter (TGO) проекта «ЭкзоМарс».
ACS успешно работает на орбите 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) ACS провёл
около
1700 тысяч наблюдений в так называемом «режиме солнечных
затмений». В этом режиме спектрометры комплекса ACS 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.
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 ACS, в это время в обоих полушариях коэффициент перемешивания водяного пара, который измеряется в количестве частиц на миллион, оказался достаточно высоким. Более влажным всё-таки оказалось южное полушарие: показатель пара 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).
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. 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.
