Астрономы впервые получили непосредственные доказательства распада марсианской атмосферы под воздействием солнечного ветра. Замеченные изменения в плотности аргона на больших высотах, связанные с направлением этих ветров, свидетельствуют о накоплении тяжелых изотопов, что указывает на продолжающуюся эрозию атмосферы. Полученные данные могут существенно продвинуть понимание того, как Марс постепенно терял свою атмосферу и воду.
За прошедшие годы собрано множество данных, указывающих на то, что несколько миллиардов лет назад поверхность Марса была покрыта большими участками жидкой воды. Это подразумевает существование атмосферного давления, которое было значительно выше современного. Таким образом, изучение изменений этой атмосферы на протяжении времени необходимо для выяснения того, когда и как вода исчезла с марсианской поверхности.
В отличие от Земли, на Марсе отсутствует устойчивое глобальное магнитное поле, которое обеспечивало бы равномерную защиту. Из-за этого солнечный ветер напрямую воздействует на верхние слои марсианской атмосферы. Под действием этих ветров нейтральные атомы, находящиеся на большой высоте, ионизируются и ускоряются, что приводит к их выходу в космическое пространство.
Иногда этот процесс протекает в обратном порядке: ионы, выбрасываемые в сторону планеты, снова возвращаются в атмосферу, сталкиваясь с нейтральными атомами. В результате такого взаимодействия происходит перенос энергии, который позволяет некоторым частицам достичь скорости, необходимой для выхода за пределы атмосферы.
Атмосферное распыление» — один из ключевых факторов, обусловивших эрозию атмосферы Марса в прошлом, в эпоху, когда Солнечная система была моложе, а солнечная активность и связанные с ней ветры значительно превышали современные.
Аргон служит важным показателем атмосферного рассеивания
Ранее прямое наблюдение за рассеиванием марсианской атмосферы не проводилось. Существующие теоретические модели, описывающие этот процесс, как правило, фокусируются на кислороде, диоксиде кислорода или диоксиде углерода — высокоактивных веществах, которые в значительных объемах возникают в результате фотохимических реакций. Это затрудняет идентификацию компонентов, появившихся вследствие рассеивания, и отличить их от продуктов фотохимических процессов.
Для решения этой проблемы исследователи сосредоточились на аргоне – инертном, тяжелом и слабо ионизируемом благородном газе. Этот газ служит эффективным индикатором для оценки изменений в атмосфере. Тем не менее, мониторинг этого процесса в реальном времени остается непростой задачей, поскольку требует выявления как атомов, покидающих атмосферу и уходящих в космос, так и атомов, возвращающихся обратно.
Зонд MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) НАСА по-прежнему является единственным прибором, способным решать подобные задачи. Благодаря современному оборудованию он позволяет одновременно наблюдать электрические поля, генерируемые солнечным ветром, и распределение аргона в экзосфере Марса. На основе данных, собранных за почти десять лет, ученые из Университета Колорадо в Боулдере впервые подтвердили существование этого явления, получив непосредственные наблюдения.
«Полученные данные свидетельствуют о значительном прогрессе в экспериментальной проверке влияния распыления на процессы потери атмосферы Марса и предоставляют новые возможности для исследования истории воды и потенциальной обитаемости этой планеты », — отмечают авторы в своем исследовании, которое было опубликовано в журнале .
Явный химический признак атмосферной эрозии
Благодаря низкой реакционной способности и сложности ионизации, аргон подвергается уникальному процессу удаления, который легко выявить. Анализ изотопного фракционирования демонстрирует, что более лёгкие изотопы избирательно удаляются, а на их место переходят более тяжёлые. Такое обогащение тяжёлыми изотопами возможно лишь в результате активного процесса распыления.
Для проверки этой гипотезы ученые проанализировали данные, полученные аппаратом MAVEN после вывода на орбиту Марса в сентябре 2014 года. В рамках миссии проводилось измерение электрических полей, формируемых солнечным ветром, и фиксировались изменения в концентрации аргона на значительной высоте.
На высоте свыше 350 километров плотность аргона изменяется в зависимости от направления солнечного электрического поля, тогда как ниже этой высоты она остается постоянной. Кроме того, ученые зафиксировали уменьшение содержания легких изотопов и увеличение концентрации тяжелых изотопов, что свидетельствует о процессе эрозии атмосферы.
Заметность этих колебаний усилилась во время редкого солнечного явления: в январе 2016 года Марс подвергся воздействию мощного извержения. « Текущая скорость распыления оказалась более чем в четыре раза выше, чем предполагалось ранее. Объем распыления может существенно возрасти из-за солнечной бури », — поясняют исследователи в своей статье.
«Полученные нами данные свидетельствуют о том, что рассеивание атмосферы Марса не прекратилось. В прошлом, когда солнечная активность и интенсивность ультрафиолетового излучения были значительно выше, чем в настоящее время, этот процесс, вероятно, был главным механизмом потери атмосферы », — заключают они.