Марс — дышащая планета

Отсутствующий на Земле механизм переноса газов и водяного пара в глубь почвы должен принципиально отличать приповерхностные слои Красной планеты.

Учёные во главе с Каролин де Бель (Caroline de Beule) открыли необычный факт: благодаря уникальным атмосферным условиям Марса его поверхность действует как насос по перекачке газов и водяного пара.

Исследователи из Университета Дуйсбурга — Эссена (Германия) вообще не собирались делать открытий. Они просто изучали эффект подъема пыли с поверхности под действием нагрева солнечными лучами в условиях микрогравитации и внезапно заметили, что, поднявшись, частицы пыли начинают оседать обратно при отсутствии тепловой конвекции — и несмотря на необычайно низкую гравитацию. «Мы заключили, что существует поток газа в почву и — что ещё более важно — через неё», — говорит Каролин де Бель.

До сих пор как единственный механизм проникновения газов в пористую марсианскую почву рассматривался лишь диффузный. Однако он довольно медленный и неэффективный, и в земных, например, условиях это становится причиной быстрого снижения плотности аэробных организмов по мере роста глубины. Похоже, на Марсе всё совсем не так.

Дело в том, что при всех чертах сходства Марса и Земли давление там менее 1% от земного, и основной тамошний газ (углекислый) в таком разрежённом варианте газовой оболочки имеет среднюю дистанцию свободного пробега молекулы в 10 микрометров.

По совпадению диаметр пылевых частиц и пор марсианской почвы также составляет около 10 микрометров — а значит, свободный пробег молекулы атмосферы и пылевой частицы примерно сопоставим. Поэтому возникает эффект температурной транспирации, когда газ движется в одном направлении при отсутствии какой-то бы то ни было разницы давлений, создавая при этом так называемую термомолекулярную разницу давлений. Чтобы всё это имело место, нужна лишь разница температур между холодной стороной поры и тёплой — и тогда газ пойдёт от первой ко второй.

Как это работает на Марсе? Когда Солнце нагревает поверхность планеты, в тенях почва остаётся холоднее, и тогда молекулы атмосферы могут поглощаться почвой. Перемещаясь в ней, они постепенно прибудут в районы, где почва нагрета прямыми лучами, и там выйдут на поверхность. В ходе этого процесса переносу подвергнутся не только молекулы углекислого газа, но и, например, водяной пар.

Для проверки эффекта экспериментально учёные сбрасывали ёмкости с базальтовый пылью с башни, создавая тем самым микрогравитацию, предварительно снизив давление в замкнутом цилиндре до 4 миллибар — примерно марсианского. Разогревая в полёте пыль лазерным лучом красного цвета, они создавали температурный градиент, который поднимал частицы пыли вверх со скоростью до 10 см/с, а затем они начинали опускаться со скоростью в 1 см/с, точно как газовые потоки, направления которых исследователи просчитывали ранее на компьютерных моделях. Впрочем, реальный температурный градиент на Марсе должен быть ниже, и даже с учётом этого скорость движения частиц пыли благодаря температурной транспирации должна быть примерно 1,6 см/с.

Чрезвычайно интригующим моментом исследования является то, что оно приложимо к ситуации с марсианским подземным льдом — широк распространённым под поверхностью четвёртой планеты. Благодаря такому эффекту водяной пар от этого льда должен периодически переноситься к поверхности, причём играть значительно более важную роль, чем у диффузии или других альтернативных механизмов, а сам перенос подземного пара из глубинных источников должен быть довольно эффективным до глубин в один метр включительно.

Кроме того, если таким образом поземные залежи льда теряют значительную часть своей воды и всё ещё существуют — это значит либо то, что они не могут существовать в нынешнем виде слишком много времени, либо что их первоначальные размеры были намного больше, чем считалось ранее.

Другим выводом, вытекающим из исследования, является то, что если на Марсе некогда существовала жизнь, то условия для неё под тамошней почвой были много лучше, чем на Земле, где перенос газов и водяного пара вглубь не пользуется поддержкой температурной транспирации: этому не даёт случиться высокая плотность газов в нашей атмосфере. Соответственно, степень развития подпочвенной биоты там также могла быть заметно выше — по сути, даже сравнимой с поверхностной. Несомненно, исследование подземных следов такого существования с помощью марсоходов представляется очень перспективным.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Physics.

Подготовлено по материалам Phys.Org.