В атмосфере Марса обнаружили условия для ранее ненаблюдаемого образования облаков

Учёные нашли возможное объяснение происхождения одного из самых необычных облаков Марса — гигантского ледяного шлейфа, который регулярно появляется возле вулкана Арсия. Компьютерное моделирование показало, что водяной пар там может превращаться в частицы льда напрямую, без пылинок, которые обычно служат центрами образования облаков. Такой процесс ранее не наблюдали в действии ни в одной планетной атмосфере.

Образование известно как Arsia Mons Elongated Cloud — вытянутое облако Арсии. Оно возникает в определённый сезон марсианского года возле вулкана высотой около 20 километров и каждое утро быстро вытягивается на запад. Длина облака может достигать 1800 километров, а ширина — примерно 150 километров.

Облако состоит из водяного льда и не связано с современной вулканической активностью. Это орографическое облако: поток воздуха взаимодействует с огромным вулканом, поднимается вверх, охлаждается и создаёт условия для образования ледяных частиц.

Однако прежние атмосферные модели не могли правильно воспроизвести длинный хвост облака. Расчёты показывали область очень холодного воздуха в нужном месте и в нужное время, но при стандартном механизме образования марсианских облаков характерная структура AMEC полностью не возникала.

Обычно водяной лёд в атмосфере формируется посредством гетерогенной нуклеации. Молекулы воды оседают на микроскопических частицах — на Земле это могут быть пыль, соль или сажа, а на Марсе главную роль играет атмосферная пыль. Такой центр облегчает появление ледяного кристалла.

Исследователи добавили в марсианскую метеорологическую модель другой процесс — гомогенную нуклеацию. При ней молекулы водяного пара способны сами формировать зародыши льда без твёрдой частицы, однако для этого требуется чрезвычайно сильное пересыщение атмосферы водяным паром. Ранее считалось, что реальные атмосферы редко достигают необходимых условий.

После включения этого процесса модель смогла значительно лучше воспроизвести наблюдаемое вытянутое облако и его длинный хвост. По расчётам, воздух возле Арсии поднимается на несколько километров за считанные минуты, а температура может снизиться примерно на 30 °C всего за десять минут.

Такое резкое охлаждение приводит к экстремальному пересыщению водяным паром. В этих условиях молекулам воды уже не обязательно ждать встречи с частицей пыли: они могут непосредственно формировать ледяные частицы, из которых затем возникает облако.

Ранние расчёты показывали, что для такого процесса требуется степень пересыщения порядка 100 тысяч и выше по отношению к обычному состоянию насыщения. Именно поэтому гомогенную нуклеацию долго практически исключали из моделей марсианских облаков. Однако новые расчёты и предыдущие измерения атмосферы показывают, что локально на Марсе могут возникать настолько экстремальные условия.

Арсия создаёт для этого необычное сочетание факторов. Волны в атмосфере, возникающие при обтекании огромного вулкана, быстро поднимают влажный воздух в более холодные слои, после чего формирующееся ледяное облако переносится сильными ветрами на сотни и затем тысячи километров.

Предыдущие наблюдения показали, что рост AMEC начинается до восхода Солнца, после чего облако вытягивается примерно в течение 2,5 часа. Скорость его распространения может достигать около 170 метров в секунду, а основная часть структуры находится примерно на высоте 45 километров. Позднее облако отделяется от района образования и исчезает до второй половины дня.

Для новой работы использовались данные нескольких приборов европейского аппарата Mars Express, который позволяет наблюдать Марс в ранние утренние часы. Именно это особенно важно для AMEC, поскольку облако существует сравнительно недолго и к моменту наблюдений многих других орбитальных аппаратов уже начинает исчезать.

Результат основан на сочетании наблюдений и атмосферного моделирования. Учёные не наблюдали непосредственно момент формирования каждого ледяного кристалла, но обычная модель образования облаков не воспроизводила AMEC, тогда как добавление гомогенной нуклеации позволило получить структуру, значительно лучше соответствующую реальным изображениям.

Если вывод подтвердится дальнейшими наблюдениями, подобный процесс может оказаться важен не только для одного марсианского облака. Исследователи уже предполагают, что гомогенная нуклеация может участвовать в образовании и других необычных облаков Марса, а похожие условия потенциально могут существовать в атмосферах других планет.

Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience.