Сколько углекислотного снега выпадает зимой на Марсе?

Как и Земля, Марс испытывает климатические изменения в течение всего года из-за наклонного характера своей орбиты (сезонные изменения). Аналогичным образом, эти колебания температуры приводят к взаимодействию между атмосферой и полярными ледяными шапками. На Земле сезонные колебания температуры и осадков приводят к росту полярной ледяной шапки в одном полушарии, в то время как ледяная шапка в другом полушарии уменьшается.

Однако на Марсе все работает немного по-другому. В дополнение к снегу, выпадающему на полярные ледяные шапки зимой, они также получают большое количество замерзшего углекислого газа ("сухого льда"). Недавно международная группа ученых использовала данные миссии НАСА Mars Global Surveyor (MGS) для измерения того, как растут и отступают полярные ледяные шапки планеты. Их результаты могут дать новое представление о том, как меняется марсианский климат в связи с сезонными изменениями.

Исследование, в котором описываются их результаты, проводил Хайфэн Сяо, научный сотрудник Института геодезии и геоинформационных наук Берлинского технического университета. К нему присоединились исследователи из Стэнфордского университета, Университета Париж-Сакле, Университетского института Франции и Института планетарных исследований Немецкого аэрокосмического центра (DLR) и Института физики атмосферы.

То, что мы знаем о полярных ледяных шапках Марса, указывает на то, что они состоят из трех частей. Во - первых, существует остаточная или постоянная ледяная шапка, состоящая из слоев водяного льда толщиной в несколько метров на Северном полюсе и слоя замерзшего углекислого газа толщиной 8 метров на Южном полюсе. Под ними находятся Полярные слоистые отложения (PLDS) толщиной от 2 до 3 км, состоящие из водяного льда и пыли.

Последним слоем является сезонная ледяная шапка, слой замороженного CO2, который каждую зиму осаждается поверх постоянных ледяных шапок. В рамках своего исследования Хайфэн и его коллеги сосредоточились на сезонных ледяных шапках, чтобы выявить, как на них влияют колебания сезонных температур и солнечной радиации - и как это связано с ежегодными изменениями климата Марса.

Каждый марсианский год примерно 30% массы CO2 атмосферы находится в активном контакте с полярными областями в результате сезонного осаждения/сублимации. Временные колебания уровней и объемов снега/льда, связанные с этим процессом, могут создать серьезные ограничения для климатической системы Марса и моделей изменчивой циркуляции.

«Кроме того, на сезонное накопление льда CO2, образующего эти сезонные полярные шапки, могут влиять пыльные бури, пятна холода, катабатические и орографические ветры и локальное затенение. Таким образом, краткосрочные и долгосрочные колебания сезонных полярных шапок также могут указывать на колебания климата Марса».

В течение марсианского года, который длится более 687 земных дней (или 668,5 сол), сезонные изменения приводят к миграции углекислого газа в атмосфере с Северного полюса на Южный полюс (и наоборот). Эти сезонные процессы ответственны за транспортировку большого количества пыли и водяного пара, что приводит к заморозкам и образованию больших перистых облаков, видимых из космоса.

Этот процесс сублимации и обмена между полюсами также отвечает за заметные геологические особенности на Марсе, такие как рельеф в форме паука (он же "пауки") вблизи Южного полюса и то, как поля дюн на северных плоскостях становятся бородатыми с приходом сезонов. Как объяснил Хайфэн, понимание взаимосвязи между сезонными полярными шапками и формированием геологических особенностей на Марсе может привести к лучшему пониманию марсианской среды.

За последние два десятилетия измерения полярных ледяных шапок проводились с использованием различных методов - изменения силы тяжести, потока нейтронов и гамма-лучей - и моделировались на основе моделей общей циркуляции и энергетического баланса. В своем исследовании Хайфэн и его коллеги опирались на данные, полученные с помощью лазерного высотомера Mars Orbiter (MOLA) на борту MGS, чтобы получить точные измерения высоты и объема полярных ледяных шапок Марса с течением времени.

Оно заключалось в повторной обработке записей данных прецизионного эксперимента MOLA (PEDR) - или индивидуальных показаний альтиметрии MOLA - с использованием последних доступных данных об орбите MGS и модели вращения Марса. Затем они самостоятельно занесли эти параметры в самосогласованную цифровую модель рельефа (DTM), которая служила для статического среднего измерения поверхности Марса.

«Мы предложили и подтвердили данные полученные с динамического лазерного высотомера Mars Orbiter (MOLA) для динамических цифровых моделей местности (DTMs) в качестве подхода для получения сезонных колебаний глубины ледяного покрова CO2 на Марсе. Кроме того, мы также предложили процедуру последующей коррекции, основанную на псевдо-пересечениях профилей MOLA, для дальнейшего повышения точности временных рядов изменения глубины» - объяснил Хайфэн.

Результатом этого стала серия измерений изменения высоты с точностью до 4,9 см и перепадами высоты от пика к пику примерно 2,2 м. Команда также распространила эти результаты на весь Южный полюс, который они надеются более подробно осветить в другом исследовании, которое скоро будет опубликовано. Хайфенг и его коллеги также планируют сравнить свои результаты с данными радиолокационной альтиметрии, полученными с помощью мелкого радиолокационного эхолота (SHARAD) на борту орбитального аппарата НАСА Mars Reconnaissance Orbiter (MRO).

«В качестве следующего шага мы попробуем радиолокационную альтиметрию SHARAD для перекрестной проверки измерений MOLA и получения долгосрочной сезонной эволюции глубины сезонных полярных шапок Марса, что также будет важно для оценки долгосрочной стабильности лежащих в основе марсианских остаточных полярных шапок, особенно остаточной Южной полярной шапки, которая находится в квазистабильном состоянии»,-сказал Хайфенг.

Эти измерения позволят планетологам узнать гораздо больше о марсианском климате и его ежегодных изменениях. Они также помогут подготовить будущие исследовательские миссии роботов и людей на Красную планету, которые все еще ожидаются в течение следующего десятилетия.