Почему Марс потерял воду: исследование показывает, что ось вращения могла стать причиной потери озер и океанов

Марс — чрезвычайно засушливая планета, давление и температура которой не позволяют жидкой воде существовать на ее поверхности . Однако геологические и минералогические данные свидетельствуют о том, что в далеком прошлом на красной планете были большие объемы воды в виде рек, озер и даже океанов .

Несмотря на десятилетия исследований, одна из величайших загадок марсианской истории остается нерешенной: что случилось со всей этой водой?

Новое исследование, проведенное Институтом астрофизики Андалусии (IAA-CSIC), проанализировало роль наклона — наклона оси вращения планеты — в потере водорода, а следовательно, и воды, из марсианской атмосферы с течением времени. Работа была опубликована в журнале Nature Astronomy .

«Чтобы понять исследование, важно помнить, что наклон оси Марса существенно менялся на протяжении всей его истории», — говорит Габриэлла Джилли, исследователь IAA-CSIC, которая была одним из руководителей работы.

«Трехмерная климатическая модель, которую мы использовали, предполагает, что в периоды сильного наклона земной оси скорость побега могла быть почти в двадцать раз выше, чем сегодня», — объясняет он.

Соавтор исследования Франсиско Гонсалес-Галиндо отмечает: «Если бы мы объединили всю воду, имевшуюся на Марсе 3–4 миллиарда лет назад, то получили бы глобальный океан глубиной более 100 метров».

Часть этой воды может все еще присутствовать под поверхностью сегодня, запертая в форме льда или заключенная в гидратированных минералах. Однако другая часть была потеряна в космосе через процесс, известный как «атмосферный выход», в котором атомы и молекулы приобретают достаточно энергии, чтобы преодолеть гравитационное притяжение планеты и выйти в межпланетную среду.

Текущая скорость утечки водорода сама по себе недостаточна, чтобы объяснить потерю огромного количества воды, существовавшей в прошлом. Орбита Марса испытывает периодические изменения, которые существенно влияют на его климат.

Одним из наиболее существенных является изменение наклона оси вращения, известное как наклон. «Хотя это значение в настоящее время аналогично земному — около 25 градусов — на Марсе оно сильно колебалось за последние сотни миллионов лет, составляя в среднем около 35 градусов», — говорит Джилли.

Хотя известно, что эти изменения оказывают существенное влияние на водный цикл планеты, до сих пор не было изучено, как они влияют на потерю воды через атмосферу.

В исследовании изучалась связь между наклоном оси Марса и потерей воды с течением времени , и было выявлено, что в периоды, когда наклон оси достигал высоких значений, инсоляция на полюсах увеличивалась.

Это усилило круговорот воды и создало более теплую и влажную атмосферу. В этих условиях водяной пар достигал более высоких слоев атмосферы, где он был более уязвим для солнечной радиации, которая расщепляла его на атомы водорода и кислорода.

Будучи очень легкими, атомы водорода могут легко улетучиваться в космос, тем самым способствуя потере воды на планете .

Исследовательская группа подсчитала, что потеря водорода в периоды сильного наклона оси вращения может объяснить исчезновение количества воды, эквивалентного мировому океану глубиной около 80 метров. Это значение совпадает с нижним пределом оценок количества воды, которое когда-то было на Марсе. «Хотя это может показаться скромным по сравнению с Землей, на Марсе это составляет значительную часть его прежней воды, поэтому его влияние существенно», — комментирует Габриэлла Джилли.

Ключевой инструмент, использованный в этом исследовании, — Марсианская планетарная климатическая модель (Mars-PCM ) — изначально была разработана Лабораторией динамической метеорологии в Париже в сотрудничестве с другими международными институтами.

Для данного исследования IAA-CSIC внесла фундаментальные усовершенствования в глобальную климатическую модель Марса, включая новые соединения и химические реакции, которые впервые позволили точно воспроизвести наблюдения за утечкой водорода, сделанные, в частности, миссиями Maven (NASA) и Mars Express (ESA).

Группа также провела моделирование, которое показывает, как изменения наклона марсианской оси повлияли на потерю воды в космосе .

«Наши результаты показывают, что утечка водорода сыграла более важную роль в процессе высыхания Марса, чем считалось ранее, что имеет ключевое значение для реконструкции того, сколько воды планета потеряла в космосе за всю свою историю», — говорит Франсиско Гонсалес-Галиндо.

В этом контексте исследование имеет астробиологическое значение, поскольку понимание того, как изменения наклона оси планеты усилили круговорот воды и способствовали его потере в космосе , позволяет нам уточнить поиск возможных периодов, в которые Марс мог быть пригоден для жизни .

«Знание того, когда и как возникли подходящие условия, а также когда они прекратили свое существование, имеет решающее значение для оценки того, могла ли Красная планета поддерживать жизнь в какой-то момент своей истории», — подчеркивает Джилли.

Кроме того, в работе также подчеркивается, в какой степени параметры орбиты могут трансформировать климат планеты.

«В то время как на Земле изменения незначительны благодаря стабилизации, оказываемой Луной, на Марсе они вызвали радикальные изменения, которые повлияли на воду, атмосферу и, в конечном итоге, на ее способность поддерживать жизнь», — говорит Гонсалес-Галиндо.

«Этот долгосрочный взгляд на изменение климата планеты также дает ценную информацию о хрупкости балансов, которые делают возможной жизнь , и подчеркивает важность защиты нашей планеты», — заключает Габриэла Джилли.