Hubble NASA допомагає розгадати таємницю зникнення води на Марсі

Що сталося з водою, яка колись покривала Марс ? Вчені знають, що деякі пішли глибоко під землю, але де решта? Докази показують, що деякі молекули води розпалися на атоми, які піднімаються через марсіанську атмосферу та вилітають у космос. Об’єднавши дані Хаббла та MAVEN, команда виміряла кількість і поточну швидкість виходу атомів водню.

Вони виявили, що швидкість виходу водню та «важкого водню», який називають дейтерієм, швидко змінюється, коли Марс наближається до Сонця. Це перевернуло класичну картину, яку раніше мали вчені, згідно з якою вважалося, що ці атоми повільно дифундують вгору крізь атмосферу на висоту, з якої вони можуть вирватися. Екстраполяція швидкості втечі назад у часі допомогла команді зрозуміти історію води на Червоній планеті.

Колись Марс був дуже вологою планетою, що видно з геологічних особливостей його поверхні. Вчені знають, що за останні 3 мільярди років принаймні частина води пішла глибоко під землю, але що сталося з рештою? Тепер космічний телескоп NASA Hubble і місії MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) допомагають розкрити цю таємницю.

«Є лише два місця, куди може піти вода. Він може вмерзнути в землю, або молекула води може розпатися на атоми, і атоми можуть вилетіти з верхньої частини атмосфери в космос», — пояснив керівник дослідження Джон Кларк з Центру космічної фізики Бостонського університету в Массачусетсі. «Щоб зрозуміти, скільки там було води і що з нею сталося, нам потрібно зрозуміти, як атоми вилітають у космос».

Кларк і його команда об’єднали дані Hubble і MAVEN, щоб виміряти кількість і поточну швидкість виходу атомів водню, що вилітають у космос. Ця інформація дозволила їм екстраполювати швидкість втечі назад у часі, щоб зрозуміти історію води на Червоній планеті.

Втеча водню та «важкий водень»

Молекули води в атмосфері Марса під дією сонячного світла розпадаються на атоми водню та кисню. Зокрема, команда виміряла водень і дейтерій, який є атомом водню з нейтроном у його ядрі. Цей нейтрон дає дейтерію вдвічі більшу масу, ніж водень. Оскільки його маса вища, дейтерій виходить у космос набагато повільніше, ніж звичайний водень.

З часом, коли втрачалося більше водню, ніж дейтерію, співвідношення дейтерію до водню в атмосфері збільшувалося. Вимірювання цього співвідношення сьогодні дає вченим підказку про те, скільки води було присутнє під час теплого вологого періоду на Марсі. Вивчаючи те, як ці атоми зараз витікають, вони можуть зрозуміти процеси, які визначали швидкість виходу за останні чотири мільярди років, і таким чином екстраполювати назад у часі.

Міжпланетні порівняння та екстраполяції

Хоча більшість даних дослідження надходить з космічного корабля MAVEN, MAVEN недостатньо чутливий, щоб побачити випромінювання дейтерію в будь-який час марсіанського року. На відміну від Землі, Марс коливається далеко від Сонця на своїй еліптичній орбіті під час тривалої марсіанської зими, і викиди дейтерію стають слабкими. Кларк і його команда потребували даних Хаббла, щоб «заповнити прогалини» і завершити річний цикл протягом трьох марсіанських років (кожен з яких становить 687 земних днів). Хаббл також надав додаткові дані, починаючи з 1991 року – до прибуття MAVEN на Марс у 2014 році.

Поєднання даних між цими місіями забезпечило перше цілісне уявлення про те, як атоми водню вилітають з Марса в космос.

Динамічна та бурхлива марсіанська атмосфера

«Останніми роками вчені виявили, що Марс має річний цикл, який набагато динамічніший, ніж люди очікували 10 або 15 років тому», — пояснив Кларк. «Вся атмосфера дуже турбулентна, нагрівається й охолоджується за короткий проміжок часу, навіть за кілька годин. Атмосфера розширюється і стискається, оскільки яскравість Сонця на Марсі змінюється на 40 відсотків протягом марсіанського року».

Команда виявила, що швидкість виходу водню та дейтерію швидко змінюється, коли Марс наближається до Сонця. У класичній картині, яку раніше мали вчені, вважалося, що ці атоми повільно дифундують вгору крізь атмосферу на висоту, з якої вони можуть вирватися.

Але це зображення вже не точно відображає всю історію, тому що тепер вчені знають, що атмосферні умови змінюються дуже швидко. Коли Марс знаходиться близько до Сонця, молекули води, які є джерелом водню та дейтерію, піднімаються через атмосферу дуже швидко, вивільняючи атоми на великій висоті.

Другий висновок полягає в тому, що зміни у водні та дейтерії настільки швидкі, що вихід атома потребує додаткової енергії, щоб пояснити це. При температурі верхніх шарів атмосфери лише невелика частка атомів має достатню швидкість, щоб уникнути гравітації Марса. Швидші (надтеплові) атоми утворюються, коли щось дає атому додаткову енергію. Ці події включають зіткнення від протонів сонячного вітру, що потрапляють в атмосферу, або сонячне світло, яке запускає хімічні реакції у верхніх шарах атмосфери.

Виконує функції проксі

Вивчення історії води на Марсі має фундаментальне значення не тільки для розуміння планет у нашій власній Сонячній системі, але й для еволюції планет розміром із Землю навколо інших зірок. Астрономи знаходять все більше і більше таких планет, але їх важко вивчити детально. Марс, Земля та Венера знаходяться в зоні проживання нашої Сонячної системи або поблизу неї, регіоні навколо зірки, де рідка вода може накопичуватися на кам’янистій планеті; однак усі три планети мають кардинально різні сучасні умови. Разом зі своїми сестринськими планетами Марс може допомогти вченим зрозуміти природу віддалених світів нашої галактики.

Ці результати з’явилися у випуску Science Advances від 26 липня, опублікованому Американською асоціацією сприяння розвитку науки.