Как Солнце «качает» воду с Марса — Naked Science
22 минуты
ФизТех

Как Солнце «качает» воду с Марса

Физики из России и Германии предложили объяснение новым данным с марсианских спутников, зафиксировавших «бегство» атомов водорода из верхних слоев атмосферы в космическое пространство.

Как Солнце «качает» воду с Марса / ©nede.li

Разработанная модель хорошо согласуется с наблюдениями и позволяет объяснить ряд ранее непонятных явлений в атмосфере Марса. Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.

Марсианская атмосфера холодна и разрежена, напоминает этим земную на больших высотах. При таких условиях вода находится не в жидкой фазе, а образует облака, состоящие из мелких кристалликов льда. На Земле подобные облака возникают на высоте шести километров от поверхности и называются перистыми.

Поскольку эти кристаллики достаточно тяжелы, основная масса воды сосредоточена в нижнем слое атмосферы, толщина которого составляет порядка 60 километров. Однако данные, полученные от американского спутника MAVEN (от  Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN — «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе») и космического телескопа «Хаббл», свидетельствуют о периодическом потоке атомов водорода, покидающих планету.

Единственным их источником может быть вода, распадающаяся в верхних слоях атмосферы (70-80 километров от поверхности) под воздействием ультрафиолета на кислород и водород.

Ученые предположили, каким образом происходит «заброс» воды на, казалось бы, недоступную высоту. Согласно наблюдениям, количество атомов водорода, улетающих в космическое пространство, возрастает во время летнего солнцестояния в Южном полушарии и при пылевых бурях.

Причем колебания концентрации воды в верхних и нижних слоях атмосферы происходят одновременно. В связи с этим физики выдвинули гипотезу о существовании некого «насоса», «закачивающего» воду вверх, и с помощью численного моделирования объяснили его природу.

Основой послужила разработанная в институте Макса Планка (Геттинген, Германия) модель общей циркуляции атмосферы Марса (Martian general circulation model, MPI–MGCM). В ней детально описывается перенос воды с поверхности в термосферу (слой атмосферы, где температура падает с набором высоты) и учитывается влияние пылевых бурь.

Ранее учеными из МФТИ и их соавторами из Германии и Японии была представленамодель, описывающая распределение водяного пара и льда в атмосфере Марса в течение года, — она также стала частью более общего описания происходящих процессов. В отличие от предыдущих работ, в новом моделировании учитывался процесс фотодиссоциации воды.На крыльях ветра

Поскольку происходящие в атмосфере Марса процессы обладают выраженной сезонностью, часто возникает необходимость обозначить период времени, в который происходит то или иное событие.

На Земле мы просто назвали бы дату — например, 20 марта, день весеннего равноденствия. Но, несмотря на то, что для Марса был разработан свой календарь (Дариский календарь), состоящий из 24 месяцев по 27–28 дней, пользоваться им не очень удобно.

Не так просто по фразе «двадцатый день месяца Рыб» сообразить, о каком времени года и в каком полушарии идет речь. На практике вместо даты гораздо удобнее указать точку орбиты, в которой на данный момент находится планета. Для этого используется солнечная долгота (рис. 1).

Как Солнце «качает» воду с Марса
Рисунок 1. Солнечная долгота (Ls) — угол между воображаемыми прямыми, соединяющими Солнце и Марс во время весеннего равноденствия (Ls=0°) и в текущий момент. Ls от 0° до 90° соответствует весне в северном полушарии, 90°÷180° — лету, 180° ÷ 270° — осени, 270° ÷360° — зиме. Орбита Марса гораздо более вытянута по сравнению с почти круговой земной, лето в северном полушарии приходится на положение планеты в афелии (наиболее отдаленной от Солнца точке орбиты), лето в южном выпадает на прохождение перигелия (ближайшей к Солнцу точки). Поэтому «северное» лето гораздо холоднее «южного»

Моделирование показало, что концентрация воды в атмосфере сильно меняется в течение года, достигая наибольших величин при солнечной долготе от 200° до 300°, во время которой планета проходит перигелий, ближайшую к Солнцу точку орбиты (рис. 2).

«Потоки водяного пара максимальны при Ls=260°, соответствующей южному лету, во время которого средняя температура на планете также максимальна.

В период с Ls=220° по 300° лед на поверхности Марса в южных широтах интенсивно сублимируется, причем на высоте ниже 40 км образовавшаяся вода существует в виде водяного пара, а выше формирует ледяные облака», — рассказал Дмитрий Шапошников, ведущий автор статьи, научный сотрудник лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ.

Сезонные ветра, дующие вдоль меридианов, переносят тепло и влагу из «летнего» полушария в «зимнее». Распределение потоков на высоте более 120 км свидетельствует о том, что в нижних и примыкающих к ним средних широтах присутствуют и другие ветры, но их вклад в общую картину не столь велик.

Как Солнце «качает» воду с Марса
Рисунок 2. Концентрация водяного пара в атмосфере в зависимости от солнечной долготы, высоты от поверхности и географической широты. Синим цветом показаны нисходящие потоки, красным — восходящие / ©Пресс-служба МФТИ

Основная масса воды сосредоточена в нижних слоях атмосферы, на высоте не более 30 км, но расчеты показали, что вода может «просочиться» в верхние слои атмосферы, попав в небольшой восходящий поток водяного пара, расположенный между 20° и 70° южной широты, существующий лишь в период перигелия, — своего рода «бутылочное горлышко» (рис. 2с).

Если воде удается его преодолеть, сезонные ветра несут ее на север, к полюсу. По дороге некоторая часть H2O распадается под действием ультрафиолета на водород и кислород, а основная, вместе с остывающим воздухом, вновь опускается в нижние слои атмосферы и конденсируется в районе северного полюса. Таким образом формируется северная полярная шапка Марса (южная значительно меньше).Пыль да туман

Пылевые бури, порой захватывающие собой всю планету, естественно, влияют и на круговорот воды, причем достаточно сложным образом. Во-первых, загрязненный воздух сильнее нагревается, что препятствует конденсации воды.

Во-вторых, на частицах пыли легче формируются ледяные кристаллики (пыль служит зародышем новой фазы) и, следовательно, образуется больше облаков. В-третьих, бури оказывают влияние на циркуляцию воздушных потоков вдоль меридианов.

Для изучения влияния сильных бурь были взяты параметры глобальной пылевой бури, произошедшей в период перигелия в 28 марсианском году (отсчет ведется от 11 апреля 1955 года), или в 2006–2007 земном. Моделирование показало, что температура при этом увеличилась на 20С на Южном полюсе и более чем на 45 — на Северном. Ветра, дующие от полюса к полюсу, также усилились.

Дмитрий Шапошников поясняет: «Более интенсивный разогрев атмосферы на севере связан с тем, что приходящий туда с юга воздушный поток остывает, интенсивно обрушивается на поверхность планеты и при этом передает ей энергию, которая переходит в тепловую (рис. 3).

Наши расчеты показали, что повышение температуры при пылевой буре приводит к увеличению концентрации водяного пара и интенсивности циркуляции воздушных потоков».

Как Солнце «качает» воду с Марса
Рисунок 3. Температура атмосферы и концентрация водяного пара в зависимости от высоты над поверхностью и географической широты. Стрелками показаны направления дующих ветров, толщина стрелки соответствует силе ветра. На рисунок 3с нанесены изотермы — линии, соединяющие точки с одинаковой температурой (обозначена числом на линии). На 3d число на изотерме показывает, насколько температура при пылевой буре отличается от обычной / ©Пресс-служба МФТИ

Повышенное содержание воды приводит к тому, что толщина гидросферы увеличивается с 60 до 70 км. Ледяные облака при этом становятся более плотными и располагаются выше. Из-за увеличения количества частиц пыли в воздухе формируется большое количество мелких ледяных кристалликов, которые оседают медленнее, чем большие.

За счет этого ледяные облака при буре располагаются выше и удерживают больше влаги. Таким образом, повышенное содержание пыли в воздухе помогает воде преодолеть «бутылочное горлышко» и попасть в верхние слои атмосферы.Владычица приливов — Солнце?

На Земле за приливы и отливы отвечает Луна. Спутники Марса Фобос и Деймос слишком малы. Солнце оказывает наибольшее влияние на планету, его притяжение действует и на водяные пары. В результате днем наблюдается «отлив» — формирование восходящего потока водяного пара, а вечером образуется нисходящий поток — «прилив» (рис. 4).

«Солнце работает как насос, который, „включаясь“ днем, помогает воде преодолеть высоту в 60 км над поверхностью. При пылевой буре концентрация влаги в воздухе и скорость воздушных потоков выше, поэтому „насос“ способен поднять воду на большую высоту», — объясняет Дмитрий Шапошников.

Как Солнце «качает» воду с Марса
Рисунок 4. Распределение давления водяных паров в зависимости от высоты над поверхностью и времени суток. Расчеты производились для периода от 250० до 270० солнечной долготы, в точке с координатами приблизительно 75० южной широты и 0० восточной долготы. Синим цветом обозначены нисходящие потоки паров, красным — восходящие. Контуры соединяют точки с равной скоростью движения воздушных масс, число на контуре, положительное для восходящих потоков и отрицательное для нисходящих, обозначает скорость этого движения в м/с. Слева — результаты расчетов для обычной загрязненности воздуха, справа — для пылевой бури / ©Пресс-служба МФТИ

Теория, мой друг, суха…

Для проверки адекватности модели авторы сравнили полученные результаты с данными, собранными Марсианским разведывательным спутником (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) в 28 марсианском году. И моделирование, и эксперимент показали увеличение концентрации воды в атмосфере во время перигелия (рис. 5).

К сожалению, измерения, проведенные MRO непосредственно во время глобальной пылевой бури и на высотах, больших 80 км, оказались неудачными. Однако на наибольшей доступной для измерений этим аппаратом высоте, порядка 70–80 км, измеренные и вычисленные значения концентрации водяного пара оказались примерно одинаковы: 70÷80 см33.

Также хорошо согласуются с моделированием результаты ночных измерений непосредственно перед началом глобальной бури (Ls = 200°÷250°) на высоте 40–50 км, показывая увеличение концентрации воды в нисходящем потоке водяного пара. Заметим, однако, что, согласно данным MRO, концентрация воды максимальна на высоте 40–50 км, модель же подразумевает убывание концентрации с высотой.

Возможно, это следствие того, что распределение частиц пыли по размерам, заданное в модели, отличается от реального. Также модель предсказывает резкое падение содержания воды в атмосфере после Ls = 330°, что не находит подтверждения в экспериментальных данных.

Однако экспериментальные и расчетные распределения концентрации воды в зависимости от сезона довольно схожи (смотрите рис. 5). Оба демонстрируют наличие в круговороте воды на Марсе «бутылочного горлышка», которое вода может преодолеть лишь в определенное время перигелия. Вероятность прохождения увеличивается, если перигелий совпадает с пылевой бурей.

Как Солнце «качает» воду с Марса
Рисунок 5. Распределение давления водяного пара в атмосфере в течение года в зависимости от высоты над поверхностью днем (a, b) и ночью (c, d). Слева представлены данные, полученные Марсианским разведывательным спутником, справа — рассчитанные моделью / ©Пресс-служба МФТИ

«Новая модель хорошо согласуется с наблюдениями, позволяет объяснить ряд явлений в атмосфере Марса (наличие паров воды на высоте более 80 км, сезонные колебания, влияние пылевых бурь, влияние солнечных приливов) и может быть использована для проверки новых гипотез, — комментирует Александр Родин, один из авторов исследования, руководитель лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ.

Он добавляет: «Мы с нетерпением ждем данных российского спектрометрического комплекса ACS международного проекта „ЭкзоМарс“: его возможности намного шире, чем у аппаратуры MRO, на данные которой мы опирались. Кроме того, исследование показывает, насколько существенными для глобального климата могут оказаться процессы, локализованные в полярных областях планеты. Это, кстати, в полной мере касается и нашей Земли».

Все данные модели доступны здесь в режиме онлайн.

Работа была поддержана Российским научным фондом.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
202 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
3 часа назад
8 минут
Василий Парфенов

Среди всех уязвимостей, те, что не требуют каких-либо действий пользователя — пожалуй, самые опасные. При правильной организации атаки жертва даже не узнает о том, что его или ее взломали и как это было сделано. Сотрудник Progect Zero, исследовательского подразделения Google, продемонстрировал реализацию подобных атак на iPhone.

Вчера, 17:37
5 минут
Ольга Иванова

Международная группа ученых выделила шесть хронотипов, которые точнее определяют биологические ритмы людей.

Вчера, 21:15
7 минут
Василий Парфенов

Американская компания Eat Just получила одобрение сингапурского регулятора и отныне может поставлять свою продукцию на продажу. В ближайшие месяцы первые партии выращенного в пробирке куриного мяса поступят в один из ресторанов города Сингапур.

30 ноября
7 минут
Василий Парфенов

История с загадочным артефактом в американском штате Юта становится все запутаннее. Мало того, что, вопреки всем предосторожностям властей, «монолит» нашли любопытные граждане, так его еще украли. А недавно стало известно об аналогичной находке в Европе — на территории археологического памятника в Пятра-Нямце, Румыния.

26 ноября
32 минуты
Илья Ведмеденко

Недавние события в Нагорном Карабахе показали, что победить в современной войне, не имея ударных беспилотников, сложно. Россия пока отстает от стран Запада, Китая, Израиля и даже Турции, но делает все возможное, чтобы сократить этот разрыв.

30 ноября
5 минут
Василий Парфенов

Пилотируемый глубоководный аппарат «Фэньдоучжэ» опустился на глубину 10 909 метров в Марианскую впадину. Во время этого погружения впервые осуществлялась прямая трансляция фото и видео на поверхность.

14 ноября
35 минут
Василий Парфенов

На вопрос, кто проживает на дне океана, люди отвечают по-разному. Дети и некоторые взрослые скажут: Губка Боб Квадратные Штаны. Фанаты Лавкрафта благоговейно, но с огоньком в глазах пробормочут нечто вроде «Ктулху фхтагн». А подводники и океанологи задумчиво посмотрят на вопрошающего и, если повезет, расскажут много интересного. Про квакеров, «биоуток», «блуп» и еще Посейдон его знает какие аномальные явления подводного мира.

22 ноября
24 минуты
Александр Березин

Планеты вокруг нашего Солнца расположены совсем не так, как в других системах. И это имеет крайне необычные практические последствия: расчеты показывают, что вокруг нашей звезды должны вращаться две потенциально обитаемые планеты, а не одна, как сейчас. Одна из них куда-то бесследно исчезла – и это еще в лучшем случае. Рассказываем, почему так получилось и кто конкретно в этом виноват.

24 ноября
8 минут
Мария Азарова

Попадание патогена в эпителий слизистой дыхательных путей и захват вирусом бокаловидных клеток приводит к нарушению слизистого барьера. Из-за уменьшения количества муцина снижается не только обонятельная чувствительность, но и возникают неприятные ощущения в носу и рту, в том числе сухость.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: