С помощью бомб: вот как Солнце лишило Марс атмосферы и воды.

В сложной головоломке прошлого Марса есть один фрагмент, который планетные геологи пытаются втиснуть на место уже несколько десятилетий. На заре своего существования красная планета, ныне засушливая и сухая, могла быть оживленным водным миром с могучими реками, питающими озера размером с море. Огромные водные пространства, которые, возможно, таили в себе обещание жизни.

Однако сегодня соседний мир представляет собой не более чем безжизненную, выжженную, замерзшую пустыню, где вода в виде льда встречается редко и представляет собой не более чем призрак некогда влажного прошлого. Куда делась вся вода на Марсе и почему? Это вопрос, недостающий кусочек головоломки, который долгое время терзает ученых.

Теперь, после более чем десятилетия скрупулезных наблюдений и анализов, миссия NASA MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), находящаяся на орбите Марса с ноября 2013 года, только что раскрыла неуловимый механизм, который может быть недостающей частью. Процесс «атмосферного побега», называемый « распылением », который может быть ключом к пониманию того, как Марс потерял большую часть своей воды. Открытие только что было опубликовано в « Science Advances ».

Марсианская поверхность не рассказывает никакой истории: она испещрена несомненными шрамами гораздо более влажного прошлого. Долины, которые когда-то были реками, сухие озерные ложа и минералы, которые образуются только в присутствии воды, являются прямым свидетельством того времени, когда жидкая вода свободно текла по планете.

И мы знаем, что для сохранения всей этой жидкой воды Марс должен был иметь в прошлом гораздо более плотную атмосферу, чем сегодня, такую ​​же, как у Земли, способную удерживать тепло и поддерживать высокое поверхностное давление. Понимание того, когда и как эта атмосфера ослабла, имеет важное значение для реконструкции климатической эволюции Красной планеты и определения, в свою очередь, как долго она могла оставаться пригодной для жизни.

За последние несколько лет ученые накопили все больше доказательств того, что солнечный ветер, постоянный поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем, может быть ответственным за потерю большей части марсианской атмосферы. В апреле 2022 года международное астрономическое сообщество стало свидетелем того, как мощная солнечная вспышка «прошла» над Меркурием, одним ударом сняв часть его атмосферы . Это был сильный и точечный эпизод, отличающийся от солнечного ветра и гораздо более мощный, чем солнечный ветер, который представляет собой непрерывный поток, который никогда не прекращается, но это событие очень ясно продемонстрировало способность нашей звезды «снимать» свои планеты.

Распыление, обнаруженное миссией MAVEN, представляет собой процесс выброса, в котором атомы выбрасываются из атмосферы энергичными заряженными частицами. «Это как если бы вы бросили бомбу в бассейн», — объясняет Шеннон Карри, главный исследователь MAVEN в Лаборатории физики атмосферы и космоса в Университете Колорадо в Боулдере и ведущий автор исследования. «Но бомба в этом случае — это тяжелые ионы, которые очень быстро врезаются в атмосферу и разбрызгивают нейтральные атомы и молекулы». Таким образом, это постоянная «бомбардировка» крошечными пушечными выстрелами, которые, как вода в бассейне, «разбрызгивают» атомы и молекулы из верхних слоев атмосферы Марса, освобождая их от гравитационного притяжения планеты и запуская их в космос.

Хотя ученые ранее находили косвенные подсказки к этому «распылению», они никогда не наблюдали его напрямую. Фактически, предыдущие доказательства были получены в результате анализа изотопов аргона в верхних слоях атмосферы Марса. Более легкие изотопы оседают выше в атмосфере, чем их более тяжелые аналоги. Было обнаружено, что в марсианской атмосфере гораздо меньше легких изотопов аргона, чем тяжелых, и оказывается, что эти более легкие изотопы могут быть удалены только путем распыления. «Это было похоже на то, как если бы мы нашли пепел костра», — объясняет Шеннон Карри. «Но мы хотели увидеть настоящий огонь — в данном случае распыление — напрямую».

Чтобы наблюдать распыление в действии, команде MAVEN требовались одновременные измерения в нужном месте и в нужное время с трех приборов на борту космического корабля: анализатора ионов солнечного ветра, магнитометра и масс-спектрометра нейтрального газа и ионов. Исследователям также требовались измерения как на дневной, так и на ночной стороне планеты на низких высотах, что заняло годы наблюдений.

Наконец, объединение данных с этих приборов позволило авторам исследования создать новый тип карты распыления аргона по отношению к солнечному ветру. Эта карта выявила наличие аргона на больших высотах в точных местах, где энергичные частицы попадают в атмосферу и «распыляют» аргон, показывая распыление в реальном времени. Исследователи также обнаружили, что этот процесс происходит в четыре раза чаще, чем предполагалось ранее, и что эта скорость увеличивается во время солнечных бурь.

Прямое наблюдение за распылением в марсианской атмосфере подтверждает, что этот процесс, как и предполагалось, был основным источником атмосферных потерь в ранней истории Марса, когда активность Солнца была намного интенсивнее. Важно помнить, что в ранние дни молодое Солнце было более активным и испускало более сильные и частые потоки солнечного ветра, чем сегодня, что могло усилить эффект распыления.

«Эти результаты, — говорит Карри, — устанавливают роль распыления в потере атмосферы Марса и в определении истории воды на Марсе». Открытие поможет ученым наконец понять условия, которые позволили жидкой воде существовать на поверхности Марса, и последствия, которые это имело для обитаемости планеты миллиарды лет назад. Если Марс когда-либо поддерживал жизнь, она, вероятно, развилась, когда планета была теплее и влажнее. Распыление открывает нам окно в прошлое Марса и позволяет нам лучше понять, как долго Красная планета могла быть благоприятной средой для жизни.

Кроме того, это исследование может также иметь значение для определения обитаемости других экзопланет. Если экзопланета имеет атмосферу и подвергается воздействию сильного звездного ветра, распыление может быть важным механизмом потери атмосферы, влияющим на ее потенциал для существования жизни.