В 2018 году орбитальный зонд Европейского космического агентства Mars Express получил изображение длинного облака у марсианского вулкана Арсия. Чуть позже выяснилось, что этот белый шлейф из водяного льда появляется каждую весну и лето в южном полушарии Красной планеты — в тот же период, когда там наступает сезон пылевых бурь.
Облако возникает ранним утром у западного склона вулкана и быстро растет, вытягиваясь на запад под действием ветра. Его максимальная длина достигает 1800 километров, ширина — примерно 150 километров. Спустя несколько часов шлейф отделяется от места своего формирования и постепенно испаряется. Этот цикл повторяется изо дня в день на протяжении нескольких месяцев.
Для ученых облако стало загадкой не столько из-за своих размеров, сколько из-за способа образования. Они предполагали, что важную роль в его формировании играет вулкан, который меняет движение воздушных потоков, заставляя воздух подниматься и охлаждаться.
В результате водяной пар конденсируется и образует ледяные частицы. Такие облака называют орографическими. Они возникают и на Земле, когда воздушные потоки огибают горы или вулканы. Однако стандартные метеорологические модели не могли достаточно точно воспроизвести наблюдаемое поведение облака над Арсией.
На Земле ледяные кристаллы в атмосфере образуются при участии мельчайших твердых частиц. Ими могут служить пыль, сажа, соль. Водяной пар конденсируется на таких частицах, а затем образуются капли или кристаллы льда. На Марсе аналогичную роль, как предположили исследователи, часто играет атмосферная пыль.
Команда французских планетологов под руководством Хорхе Эрнандеса-Берналя (Jorge Hernández-Bernal) из Сорбоннского университета допустила, что облако над Арсией может возникать иначе. При сильном и быстром охлаждении воздуха водяной пар способен образовывать ледяные частицы непосредственно без участия пыли. Такой механизм называют гомогенной нуклеацией льда. Чтобы проверить гипотезу, ученые включили этот механизм в компьютерную модель атмосферы Марса, после чего сравнили результаты расчетов с наблюдениями облака.
Новая модель показала, что гомогенная нуклеация льда на Красной планете вполне возможна. Авторы научной работы связали это с сочетанием двух особенностей Марса: разреженной атмосферой и огромной высотой вулкана Арсия, которая составляет примерно 19 километров.
Когда ветер обтекает вулкан, его рельеф создает условия для возникновения мощной атмосферной волны, которая за несколько минут поднимает влажные массы воздуха на несколько километров. При быстром подъеме воздух резко охлаждается. По расчетам, температура может упасть на 30 градусов всего за 10 минут. Одновременно возрастает относительная влажность, создающая условия для сильного пересыщения водяным паром.
В такой среде могут самостоятельно зарождаться ледяные частицы, которым не нужны пылинки в качестве центров кристаллизации. Так, согласно модели, возникает вытянутое облако, которое регулярно наблюдают с орбиты.
Важно понимать разницу между тем, что ученые увидели на снимках, и тем, что удалось выяснить с помощью компьютерной модели. Аппарат Mars Express помог изучить форму и размеры облака, а также проследить, как оно меняется со временем. Но сам процесс превращения водяного пара в лед ученые не наблюдали. Они смоделировали его на компьютере и сравнили результат с реальными снимками. Расчеты позволили предположить, что облако образуется именно с помощью гомогенной нуклеации льда: водяной пар превращается в лед напрямую, без участия пыли и других мелких частиц.
Если предложенный механизм подтвердится, исследователи смогут лучше понять, как образуются ледяные облака на Марсе и могут ли подобные процессы происходить в атмосферах других планет.
Выводы исследователей представлены в журнале Nature Geoscience.