Как солнечный ветер лишил Марс атмосферы: физический механизм раскрыт

Марс, который сегодня предстаёт перед нами холодной и сухой пустыней, когда-то мог быть совершенно иным. Учёные давно знают, что солнечный ветер лишил Красную планету плотной атмосферы, но как именно это происходит, какие физические механизмы стоят за этим процессом — оставалось загадкой. Теперь, благодаря совместной работе двух космических аппаратов, исследователи из Бостонского университета смогли разобраться в деталях.

Если упростить, то процесс напоминает волны на воде, которые ветер поднимает на поверхности озера. Но здесь вместо воды — граница верхней атмосферы Марса, а вместо ветра — поток заряженных частиц, идущий от Солнца. Этот поток порождает на границе марсианской ионосферы гигантские волны, известные как волны Кельвина—Гельмгольца, которые напрямую связаны с утечкой атмосферы.

Источниками этой утечки служат облака плазмы в верхних слоях атмосферы. Ранее существовало несколько гипотез о природе этих облаков, но их происхождение оставалось неясным — не хватало прямых наблюдательных подтверждений. Сложность заключалась в том, что ни один зонд не может одновременно измерять невозмущённый солнечный ветер вдалеке от планеты и утекающие ионы вблизи неё.

Эту проблему удалось решить благодаря синхронным наблюдениям двух аппаратов. Китайский зонд «Тяньвэнь-1» фиксировал параметры солнечного ветра на подходе к Марсу, а американский MAVEN наблюдал непосредственно процесс утечки ионов в марсианском околопланетном пространстве. Сопоставив данные, исследователи смогли напрямую связать изменения в солнечном ветре с откликом верхней атмосферы Марса. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Ведущий автор исследования Чжан Чи пояснил, что плазменные облака в ионосфере рождаются именно волнами Кельвина—Гельмгольца. Это следствие неустойчивости на границе двух сред: лёгкие протоны солнечного ветра сталкиваются с тяжёлыми ионами марсианского воздуха, и на этом рубеже возникают волны, которые «взбивают» атмосферу, способствуя её утечке в космос.

Исследователи обнаружили также выраженную асимметрию этого процесса. «Он наблюдается в основном с одной стороны Марса, в зависимости от направления электрического поля солнечного ветра», — уточнил Чжан. Это означает, что потери атмосферы происходят неравномерно, что может давать ключ к пониманию эволюции марсианской среды.

В будущем учёные планируют выяснить, какие условия благоприятствуют зарождению и развитию волн Кельвина—Гельмгольца, а также количественно оценить их вклад в утечку атмосферы. Миссия MAVEN, которая уже вступила в завершающую стадию, передаст эстафету аппарату NASA ESCAPADE, стартовавшему в этом году. Его данные откроют новые возможности для изучения атмосферных потерь на Марсе под действием солнечного ветра.

Этот процесс, как допустил астроном Чуаньфэй Дун, соавтор исследования, может происходить и на других планетах без мощного магнитного поля, включая некоторые экзопланеты. А значит, понимание марсианского механизма поможет разобраться в эволюции планетных атмосфер в целом.

«Считается, что когда-то Марс мог быть обитаем — у него была более плотная атмосфера и жидкая вода на поверхности. Понимание, как он превратился в холодную и сухую пустыню, которую мы видим сегодня, — ключ к разгадке эволюции планетных сред в целом», — подытожил Чжан.