Объяснена тайна марсианской полярной шапки

В 1966 году два ученых из Калифорнийского технологического института размышляли о последствиях тонкой марсианской углекислотной атмосферы(CO2), впервые обнаруженной космическим кораблем НАСА Mariner IV, построенным и управляемым JPL. Они предположили, что Марс с такой атмосферой может иметь долгосрочное стабильное полярное отложение льда из CO2, что в свою очередь, будет контролировать глобальное атмосферное давление.

Новое исследование Калифорнийского технологического института (Caltech) предполагает, что теория, разработанная физиком Робертом Б. Лейтоном и ученым-планетологом Брюсом К. Мюрреем, действительно может быть верной.

Углекислый газ составляет более 95 процентов атмосферы Марса, которая имеет поверхностное давление всего 0,6 процента от земного. Одно из предсказаний теории Лейтона и Мюррея - с огромными последствиями для изменения климата на Марсе - состоит в том, что его атмосферное давление будет колебаться по мере того, как планета будет вращаться вокруг своей оси во время своего движения вокруг Солнца, подставляя свои полюса солнечному свету. Прямое попадание солнечных лучей на лед CO2, осажденный на полюсах, приводит к его сублимации (непосредственному переходу материала из твердого состояния в газообразное). Лейтон и Мюррей предсказали, что при изменении солнечного излучения атмосферное давление может колебаться от одной четверти сегодняшней марсианской атмосферы до двух раз в течение циклов в десятки тысяч лет.

Теперь новая модель Питера Булера, доктора философии JPL, которой управляет Caltech для NASA, и его коллег из Caltech, JPL и Университета Колорадо, предоставляет ключевые доказательства в поддержку этой модели. Модель была описана в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy 23 декабря.

Команда исследовала существование загадочной особенности на Южном полюсе Марса: массивное отложение CO2-льда и водяного льда в чередующихся слоях, как слои пирога, которые простираются на глубину 1 километра, с тонкой глазурью CO2-льда на вершине. Отложения слоеного пирога содержат столько же CO2, сколько сегодня содержится во всей атмосфере Марса.

Теоретически такое расслоение не должно быть возможным, потому что водяной лед более термостойкий и более темный, чем CO2-лед; CO2-лед, как долгое время полагали ученые, быстро дестабилизировался бы, если бы он был погребен под водяным льдом. Однако новая модель Бюлера и его коллег показывает, что залежь могла образоваться в результате сочетания трех факторов: 1) изменения угла наклона (или наклона) вращения планеты, 2) разницы в способе отражения солнечного света водяным льдом и СО2-льдом и 3) увеличения атмосферного давления, возникающего при сублимации СО2-льда.

«Обычно, когда вы запускаете модель, вы не ожидаете, что результаты будут соответствовать тому, что вы наблюдаете. Но толщина слоев, определенная моделью, прекрасно согласуется с радиолокационными измерениями с орбитальных спутников», - говорит Бюлер.

Исследователи предполагают как образовалось месторождение: когда Марс колебался на своей оси вращения в течение последних 510 000 лет, Южный полюс получал различное количество солнечного света, позволяя CO2-льду образовываться когда полюса получали меньше солнечного света. Когда образовался CO2-лед, небольшое количества водяного льда были захвачены вместе с CO2-льдом. Когда CO2 сублимировался, более стабильный водяной лед оставался снизу и консолидировался в слои.

Но слои воды не полностью герметизируют осадок. Вместо этого сублимирующийся CO2 повышает атмосферное давление на Марсе, а слоеный пирог с CO2-льдом эволюционирует в равновесии с атмосферой. Когда поток солнечного света снова начинает уменьшаться, поверх слоя воды образуется новый слой льда CO2, и цикл повторяется.

Поскольку интенсивность эпизодов сублимации обычно снижалась, часть CO22-льда оставалась между слоями воды - таким образом образовалось чередование CO2 и водяного льда. Самый глубокий (и, следовательно, самый старый) слой CO2 образовался 510 000 лет назад после последнего периода экстремального солнечного потока, когда весь CO2 сублимировался в атмосферу.

«Наше определение истории Больших перепадов давления на Марсе имеет фундаментальное значение для понимания эволюции климата Марса, включая историю стабильности жидкой воды и обитаемости вблизи поверхности Марса», - говорит Бюлер. Эта работа была частью дипломной работы Бюлера в Калифорнийском технологическом институте. Он продолжил исследования в своей нынешней роли постдокторского исследователя в JPL. Его соавторами являются его бывшие советники Энди Ингерсолл и Бетани Элманн, оба профессора планетологии в Калифорнийском технологическом институте, Сильвен Пике из JPL и Пол Хейн из Университета Колорадо в Боулдере.

Исследование называется «Коэволюция атмосферы Марса и массивных южнополярных отложений CO2 льда». Исследование финансировалось НАСА.