Шейн Стоун, аспирант Лаборатории Луны и планет в Уаризоне и ведущий автор новой статьи, опубликованной сегодня в журнале Science, описывает себя как планетарный химик. Когда-то лабораторный химик, который помогал разрабатывать полимеры, которые можно было использовать для более эффективной упаковки и доставки терапевтических лекарств, теперь он изучает химию планетных атмосфер.
С 2014 года он работал в миссии NASA MAVEN, сокращенно от Mars Atmosphere и Volatile EvolutioN. Космический аппарат MAVEN вышел на орбиту Марса в 2014 году и с тех пор регистрирует состав верхних слоев атмосферы соседней планеты Земля.
«Мы знаем, что миллиарды лет назад на поверхности Марса была жидкая вода», – сказал Стоун. "Должно быть, была более плотная атмосфера, поэтому мы знаем, что Марс каким-то образом потерял большую часть своей атмосферы в космос. MAVEN пытается охарактеризовать процессы, ответственные за эту потерю, и одна из частей этого – понимание того, как именно Марс потерял воду."
Соавторами исследования являются Роджер Йелле, профессор планетных наук из УАризоны и научный советник Стоуна, а также исследователи из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и Центра исследований и исследований в области космической науки и технологий в Мэриленде.
В поисках воды
Когда MAVEN вращается вокруг Марса, он погружается в атмосферу планеты каждые 4 1/2 часа.
Бортовой прибор NGIMS, сокращение от Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer, измеряет количество заряженных молекул воды, называемых ионами, в верхних слоях марсианской атмосферы, примерно в 100 милях от поверхности планеты. Из этой информации ученые могут сделать вывод, сколько воды присутствует в атмосфере.
Предыдущие наблюдения с использованием MAVEN и космического телескопа Хаббла показали, что потеря воды из верхних слоев марсианской атмосферы меняется в зависимости от сезона. По сравнению с Землей, Марс имеет более овальную форму вокруг Солнца и находится ближе всего к нему летом в южном полушарии Марса.
Стоун и его команда обнаружили, что, когда Марс находится ближе всего к Солнцу, планета нагревается, и больше воды, находящейся на поверхности в виде льда, перемещается с поверхности в верхние слои атмосферы, где теряется в космосе. Это происходит один раз в марсианский год или примерно каждые два земных года.
Региональные пыльные бури, которые случаются на Марсе каждый марсианский год, и глобальные пыльные бури, которые происходят по всей планете примерно раз в 10 лет, приводят к дальнейшему нагреванию атмосферы и всплеску восходящего движения воды.
По словам Стоуна, процессы, которые делают возможным это циклическое движение, противоречат классической картине утечки воды с Марса, показывая, что она неполная.
Согласно классическому процессу, водяной лед превращается в газ и разрушается солнечными лучами в нижних слоях атмосферы. Этот процесс, однако, будет происходить как медленная, постоянная струйка, на которую не влияют сезоны или пыльные бури, что не согласуется с текущими наблюдениями.
«Это важно, потому что мы вообще не ожидали увидеть воду в верхних слоях атмосферы Марса», – сказал Стоун. "Если мы сравним Марс с Землей, вода на Земле удерживается близко к поверхности из-за того, что называется гигропаузой. Это просто слой в атмосфере, достаточно холодный, чтобы конденсировать (и, следовательно, останавливать) любой водяной пар, движущийся вверх."
Команда утверждает, что вода движется мимо того, что должно быть гигропаузой Марса, которая, вероятно, слишком теплая, чтобы остановить водяной пар.
Оказавшись в верхних слоях атмосферы, молекулы воды очень быстро разрушаются ионами – в течение четырех часов, как они подсчитали, – и побочные продукты затем теряются в космосе.
«Потеря атмосферы и воды в космос – основная причина, по которой Марс холодный и сухой по сравнению с теплой и влажной Землей. Эти новые данные от MAVEN раскрывают один процесс, в результате которого эта потеря все еще происходит сегодня », – сказал Стоун.
Сухой и пыльный мир
Когда команда экстраполировала свои выводы на 1 миллиард лет назад, они обнаружили, что этот процесс может объяснить потерю глобального океана глубиной около 17 дюймов.
«Если мы возьмем воду и равномерно распределим ее по всей поверхности Марса, то этот океан воды, потерянный в космос из-за нового процесса, который мы описываем, будет более 17 дюймов в глубину», – сказал Стоун. "Еще 6.7 дюймов будут потеряны исключительно из-за воздействия глобальных пыльных бурь."
Во время глобальных пыльных бурь в верхние слои атмосферы может переноситься в 20 раз больше воды.
Например, одна глобальная пыльная буря продолжительностью 45 дней высвобождает в космос столько воды, сколько Марс потерял бы в спокойный марсианский год, или 687 земных дней.
И хотя Стоун и его команда не могут экстраполировать более чем на 1 миллиард лет назад, он считает, что этот процесс, вероятно, не работал так же до этого, потому что у Марса давно могла быть более сильная гигропауза.
«До того, как процесс, который мы описываем, начал действовать, должно было быть уже значительное количество атмосферных выбросов в космос», – сказал Стоун. "Нам все еще нужно определить влияние этого процесса, и когда он начал действовать."
В будущем Стоун хотел бы изучить атмосферу спутника Сатурна Титана.
«У Титана интересная атмосфера, в которой органическая химия играет важную роль», – сказал Стоун. "Как бывший химик-синтетик-органик, я очень хочу исследовать эти процессы."