На Марсе было несколько ледниковых периодов. Что происходит с климатом планеты?

Какой на Марсе климат?

Климат, как и на Земле, носит сезонный характер. Угол наклона Марса к плоскости орбиты почти равен земному и составляет 25,1919°; соответственно, на Красной планете происходит смена времен года. Особенностью марсианского климата также является то, что эксцентриситет орбиты Марса значительно больше земного, и на климат влияет расстояние до Солнца.

Перигелий Марс проходит во время разгара зимы в северном полушарии и лета в южном, афелий — во время разгара зимы в южном полушарии и соответственно лета в северном. Вследствие этого климат северного и южного полушарий различается.

Для северного полушария характерны более мягкая зима и прохладное лето; в южном полушарии зима более холодная, а лето более жаркое. В холодное время года даже вне полярных шапок на поверхности может образовываться светлый иней. Аппарат «Феникс» зафиксировал снегопад, однако снежинки испарялись, не достигая поверхности.

По сведениям НАСА (2004 год), средняя температура составляет ~210 K (−63 °C). По данным посадочных аппаратов «Викинг», суточный температурный диапазон составляет от 184 K до 242 K (от −89 до −31 °C) («Викинг-1»), а скорость ветра 2—7 м/с (лето), 5—10 м/с (осень), 17—30 м/с (пылевой шторм).

По данным посадочного зонда «Марс-6», средняя температура тропосферы Марса составляет 228 K, в тропосфере температура убывает в среднем на 2,5 градуса на километр, а находящаяся выше тропопаузы (30 км) стратосфера имеет почти постоянную температуру 144 K.

Исследователи из Центра имени Карла Сагана в 2007-2008 годах пришли к выводу, что в последние десятилетия на Марсе идёт процесс потепления. Специалисты НАСА подтвердили эту гипотезу на основе анализа изменений альбедо разных частей планеты. Другие специалисты считают, что такие выводы делать пока рано.

В мае 2016 года исследователи из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере (Колорадо) опубликовали в журнале Science статью, в которой предъявили новые доказательства идущего потепления климата (на основе анализа данных Mars Reconnaissance Orbiter). По их мнению, этот процесс длительный и идет, возможно, уже в течение 370 тыс. лет.

Существуют предположения, что в прошлом атмосфера могла быть более плотной, а климат — теплым и влажным, и на поверхности Марса существовала жидкая вода и шли дожди. Доказательством этой гипотезы является анализ метеорита ALH 84001, показавший, что около 4 млрд лет назад температура Марса составляла 18 ± 4 °C.

Главной особенностью общей циркуляции атмосферы Марса являются фазовые переходы углекислого газа в полярных шапках, приводящие к значительным меридиональным потокам. Численное моделирование общей циркуляции атмосферы Марс указывает на существенный годовой ход давления с двумя минимумами незадолго перед равноденствиями, что подтверждается и наблюдениями по программе «Викинг».

Анализ данных о давлении выявил годовой и полугодовой циклы. Интересно, что, как и на Земле, максимум полугодовых колебаний зональной скорости ветра совпадает с равноденствиями. Численное моделирование выявляет также и существенный цикл индекса с периодом 4-6 суток в периоды солнцестояний. «Викингом» обнаружено подобие цикла индекса на Марсе с аналогичными колебаниями в атмосферах других планет.

Откуда на Марсе вода и лед?

Марс весьма схож с Землей по многим показателям, что заставляло ученых XIX — начала XX века допускать, что на нем есть жизнь и есть жидкая вода.

По мере роста объема данных о планете, собранных различными методами, например, с помощью спектроскопических измерений, стало понятно, что воды в атмосфере Марса ничтожно малое количество, однако она все же присутствует.

Прежде всего внимание исследователей привлекли полярные шапки Марса, так как предполагалось, что они могут состоять из водного льда по аналогии с Антарктидой или Гренландией на Земле, однако высказывалась и гипотеза, что это твердый диоксид углерода.

В пользу последней говорили результаты одного из первых численных экспериментов 1966 года на ЭВМ IBM 7074 по моделированию суточных и годовых изменений температуры на поверхности Марса в зависимости от широты и соответствующей динамики полярных шапок для случаев, когда они состоят из H₂O и CO₂. Авторы этой работы пришли к заключению, что полученная ими годичная вариация размера полярных шапок во втором случае гораздо ближе к наблюдаемой.

Запасы воды на Марсе

• Лед

В настоящее время открытые и достоверно установленные объемы воды на Марсе сосредоточены преимущественно в так называемой криосфере — приповерхностном слое вечной мерзлоты мощностью в десятки и сотни метров.

Большая часть этого льда находится под поверхностью планеты, поскольку при нынешних климатических условиях не может существовать стабильно и оказавшись на поверхности, быстро испаряется; только в приполярных областях температура достаточно низкая для стабильного существования льда в течение всего года — это полярные шапки.

Общий объем льда на поверхности и в приповерхностном слое оценивается в 5 млн км³ (а в более глубоких слоях, вероятно, могут быть сосредоточены гораздо большие запасы подмерзлотных солёных вод. Их объем оценивается в 54-77 млн км³). В расплавленном состоянии он покрыл бы поверхность Марса слоем воды толщиной 35 м.

• Жидкость

25 июля 2018 года вышел доклад об открытии, основанном на исследованиях радаром MARSIS. Работы показали наличие подлёдного озера на Марсе, расположенного на глубине 1,5 км подо льдом Южной полярной шапки, шириной около 20 км. Это стало первым известным постоянным водоемом на Марсе.

Зондирование области шириной около 200 км с помощью MARSIS показало, что поверхность Южного полюса Марса покрыта несколькими слоями льда и пыли и глубиной около 1,5 км. Особенно мощное усиление отражения сигнала было зафиксировано под слоистыми отложениями в пределах 20-километровой зоны на глубине около 1,5 км.

Проанализировав свойства отраженного сигнала и изучив состав слоистых отложений, а также ожидаемый температурный профиль под поверхностью этой области, ученые пришли к выводу, что радар обнаружил под поверхностью карман с озером из жидкой воды.

Прибор не смог определить, насколько глубоким может быть озеро, но его глубина должна составлять как минимум несколько десятков сантиметров (таким должен быть слой воды, чтобы его увидел MARSIS). 

Как на Марсе изменяется климат?

Внешний вид Марса сильно изменяется в зависимости от времени года. Прежде всего бросаются в глаза изменения полярных шапок. Они разрастаются и уменьшаются, создавая сезонные явления в атмосфере и на поверхности Марса. Полярные шапки в максимуме разрастания могут достигать широты 50°. Диаметр постоянной части северной полярной шапки составляет 1000 км. По мере того, как весной полярная шапка в одном из полушарий отступает, детали поверхности планеты начинают темнеть.

Северная и Южная полярные шапки состоят из двух составляющих: сезонной — углекислого газа и вековой — водяного льда. По данным со спутника «Марс-экспресс», толщина шапок может составлять от 1 м до 3,7 км. Аппарат «Марс Одиссей» обнаружил на южной полярной шапке Марса действующие гейзеры. Как считают специалисты НАСА, струи углекислого газа с весенним потеплением вырываются вверх на большую высоту, унося с собой пыль и песок. 

Данные аппарата Mars Reconnaissance Orbiter позволили обнаружить под каменистыми осыпями у подножия гор значительный слой льда. Ледник толщиной в сотни метров занимает площадь в тысячи квадратных километров, и его дальнейшее изучение способно дать информацию об истории марсианского климата. 

В 2018 году радар MARSIS, установленный на аппарате Марс-экспресс, показал наличие подледного озера на Марсе, расположенного на глубине 1,5 км подо льдом Южной полярной шапки (на Planum Australe), шириной около 20 км. 

Как на планете происходили ледниковые периоды?

Об этом ученые также узнали после изучения снимков полярных шапок. Фотографии указывают на то, что примерно 375 тыс. лет назад на красной планете закончился ледниковый период, из которого планета постепенно выходит сегодня. 

Климат на Марсе меняется гораздо сильнее, чем на Земле, так как его ось вращения «качается» заметно больше, чем у нашей планеты. Поэтому в прошлом Марс мог выглядеть совсем не так, каким мы его видим сегодня. 

Айзек Смит, исследователь из Юго-Восточного исследовательского института в Боулдере (США)

Анализируя данные, собранные инструментами зонда MRO при изучении залежей водяного льда на северном полюсе Красной планеты, Смит и его коллеги обнаружили, что в относительно недавнем прошлом на Марсе царил ледниковый период, после которого он постепенно теплеет.

В ходе новой работы планетологи под руководством доцента Колгейтского университета (США) Джозефа Леви внесли в этот вопрос немного ясности. На снимках аппарата Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) они разглядели первые однозначные следы того, что уже после исчезновения большей части атмосферы поверхность планеты пережила сразу несколько периодов оледенения.

Ученых интересовали формы рельефа, которые могли образоваться на поверхности Марса из-за движения массивов льда. Одна из самых заметных структур такого рода — так называемые лопастные наносные окраины. Так планетологи называют скопления булыжников и других обломков пород на нижних склонах гор и холмов, которые, предположительно, попали туда в результате движения ледников.

Когда на Марсе был последний ледниковый период?

Проанализировав сотни радарных снимков с MRO и фотографии, полученные зондами из серии «Викинг» более 35 лет назад, авторы статьи пришли к выводу, что Марс относительно недавно, около 370-375 тыс. лет назад, находился в ледниковом периоде. 

За время отступления ледников на полюсах Марса, по расчетам планетологов, накопилось свыше 87 тыс. кубических километров водяного льда, этого хватило бы для того, чтобы покрыть всю поверхность красной планеты слоем воды толщиной в 60 сантиметров. Такие водяные запасы стали неожиданностью для ученых, которые ожидали увидеть в три раза меньше льда, чем показывают данные с инструментов MRO.

По словам авторов статьи, таяние льда продолжается и сегодня. Об этом говорят недавно открытые следы движения воды по поверхности Красной планеты. Дальнейшие наблюдения за ледниками, как надеется планетолог, помогут понять, как будет выглядеть Марс в ближайшем будущем и как эти изменения отразятся на его потенциальной обитаемости. 

Читать далее

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят

Треть переболевших COVID-19 возвращаются в больницу. Каждый восьмой — умирает

Названо растение, которому не страшно изменение климата. Им питается миллиард человек