Гигантские плазменные волны могли лишить Марс большей части атмосферы
Международная группа исследователей обнаружила новые свидетельства того, что гигантские плазменные волны, возникающие под воздействием солнечного ветра, могли сыграть важную роль в постепенной утрате атмосферы Марса. По мнению учёных, именно этот процесс мог способствовать тому, что Красная планета за миллиарды лет превратилась из потенциально пригодного для жизни мира с жидкой водой в холодную и сухую пустыню.
Исследование основано на совместных наблюдениях американского орбитального аппарата MAVEN и китайской станции Тяньвэнь-1. Благодаря одновременным измерениям исследователям впервые удалось напрямую сопоставить состояние солнечного ветра возле Марса с процессами, происходящими в его верхней атмосфере.
Сегодня считается, что в далёком прошлом Марс обладал глобальным магнитным полем, значительно более плотной атмосферой и условиями, позволявшими существовать жидкой воде на поверхности. Многочисленные геологические данные свидетельствуют о том, что вскоре после формирования планеты её климат существенно отличался от современного.
Однако впоследствии Марс утратил глобальное магнитное поле. В результате его атмосфера оказалась практически беззащитной перед воздействием солнечного ветра — непрерывного потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем.
В настоящее время атмосфера Марса продолжает медленно разрушаться под действием солнечного ветра. Заряженные частицы сталкиваются с атомами и молекулами верхних слоёв атмосферы, передают им энергию и разгоняют атмосферные ионы до скоростей, достаточных для преодоления гравитационного притяжения планеты. Этот процесс известен как ионное убегание атмосферы.
Хотя сегодня данный механизм отвечает лишь за небольшую часть потери атмосферы, учёные считают, что миллиарды лет назад, когда молодое Солнце было значительно активнее, его влияние было гораздо сильнее, а скорость утечки атмосферных частиц — значительно выше.
Помимо прямого воздействия солнечного ветра существуют и другие процессы, усиливающие потерю атмосферы. Одним из них являются облака плазмы и гигантские волны, возникающие в верхней атмосфере и облегчающие уход атмосферных ионов в космос.
Происхождение этих структур долгое время оставалось предметом научных дискуссий. Одной из наиболее вероятных гипотез считалась неустойчивость Кельвина — Гельмгольца — физическое явление, возникающее на границе двух потоков жидкости или плазмы, движущихся с разной скоростью.
На Земле такие неустойчивости можно наблюдать, например, в атмосфере или на поверхности воды, где они образуют характерные волнообразные структуры и вихри. На Марсе аналогичный процесс, как предполагается, происходит на границе между солнечным ветром и верхней атмосферой планеты.
До сих пор подтвердить эту гипотезу было сложно, поскольку одному космическому аппарату невозможно одновременно измерять параметры солнечного ветра и регистрировать убегающие атмосферные ионы в разных областях околомарсианского пространства.
Ранее исследователи под руководством Чи Чжана из Центра космической физики Бостонского университета показали, что совместные наблюдения аппаратов MAVEN и Тяньвэнь-1 позволяют напрямую связать изменения солнечного ветра с процессами в атмосфере Марса.
В новой работе учёные использовали эти данные и пришли к выводу, что наблюдаемые облака плазмы действительно соответствуют картине, ожидаемой при развитии неустойчивости Кельвина — Гельмгольца.
При этом оказалось, что образование таких волн происходит не по всей планете одинаково. Согласно наблюдениям, они преимущественно возникают лишь с одной стороны Марса, а их появление зависит от направления электрического поля солнечного ветра.
Авторы исследования считают, что полученные результаты подтверждают связь между возникновением волн Кельвина — Гельмгольца и усиленной утечкой атмосферных ионов в межпланетное пространство.
По словам Чи Чжана, дальнейшие исследования будут направлены на выяснение условий, при которых такие волны возникают наиболее эффективно, как развивается этот процесс и насколько велик его вклад в общую потерю атмосферы Марса.
Кроме того, учёные планируют определить, в какие периоды подобные волны образуются чаще всего, как долго они существуют и насколько сильно способны ускорять убегание атмосферных частиц.
Исследователи также полагают, что понимание этого механизма поможет изучить эволюцию не только Марса, но и других планет, не имеющих устойчивого глобального магнитного поля, включая некоторые экзопланеты.
Исследование в журнале Science Advances.