Впервые зафиксировано в реальном времени активное рассеивание атмосферы Марса

Астрономы впервые получили прямое подтверждение процесса распыления марсианской атмосферы, вызванного действием солнечных ветров. Изменения плотности аргона на большой высоте, коррелирующие с направлением этих ветров, оставляют после себя избыток тяжелых изотопов, что указывает на активную эрозию атмосферы. Эти наблюдения могут стать ключевым элементом в понимании постепенного исчезновения атмосферы и воды на Марсе.

На протяжении нескольких лет накапливаются свидетельства того, что несколько миллиардов лет назад поверхность Марса покрывали обширные пространства жидкой воды. Такое наличие предполагало бы атмосферное давление, значительно превышающее наблюдаемое сегодня. Поэтому понимание эволюции этой атмосферы с течением времени имеет решающее значение для определения того, когда и каким образом жидкая вода испарилась с поверхности Марса.

В отличие от Земли, Марс не имеет стабильного глобального магнитного поля, способного равномерно защищать его. Этот дефицит позволяет солнечным ветрам напрямую взаимодействовать с верхними слоями его атмосферы. Эти ветры ионизируют нейтральные атомы, присутствующие на большой высоте, ускоряя их до тех пор, пока они не выбрасываются в космос.

Но процесс может также происходить в обратном направлении: ионы, выбрасываемые в сторону планеты, вновь проникают в атмосферу, вызывая серию столкновений с нейтральными атомами. Это явление приводит к переносу энергии, достаточной для того, чтобы часть этих частиц достигла скорости выхода.

Этот механизм, известный как «атмосферное распыление», представляет собой один из основных факторов эрозии атмосферы Марса в ранние периоды существования Солнечной системы, когда солнечная активность и связанные с ней ветры были гораздо более интенсивными, чем сегодня.

Аргон: ключевой индикатор атмосферного распыления

До недавнего времени распыление марсианской атмосферы еще никогда не наблюдалось напрямую. Теоретические модели, объясняющие эту динамику, обычно сосредоточены на таких элементах, как кислород, диоксид кислорода или диоксид углерода — высокореактивных компонентах, которые в больших количествах образуются в результате фотохимических реакций. В результате становится трудно отделить компоненты, образовавшиеся в результате распыления, от компонентов, образовавшихся в результате фотохимии.

Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи обратили свое внимание на аргон, инертный, тяжелый и малоионизируемый благородный газ. Он является отличным трассером для оценки атмосферных изменений. Однако отслеживание этого процесса в режиме реального времени остается сложной задачей, поскольку для этого необходимо обнаруживать как атомы, выбрасываемые в космос, так и атомы, осаждающиеся в атмосфере.

Зонд MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) НАСА на сегодняшний день остается единственным инструментом, способным выполнить такую задачу. Оснащенный передовым оборудованием, он позволяет одновременно наблюдать электрические поля, создаваемые солнечными ветрами, и распределение аргона в экзосфере Марса. Проанализировав данные за почти десять лет, ученые из Университета Колорадо в Боулдере впервые установили реальность этого явления путем непосредственного наблюдения.

«Эти результаты знаменуют собой важный этап в экспериментальном подтверждении роли распыления в потере атмосферы Марса и открывают новые перспективы в изучении истории воды и пригодности планеты для жизни», — объясняют авторы в своем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.

Четкий химический след атмосферной эрозии

Поскольку аргон малореактивен и трудноионизируем, он подвергается очень специфическому процессу удаления, который легко обнаружить. Исследования изотопного фракционирования также показали, что легкие изотопы избирательно удаляются в пользу тяжелых изотопов. Такая концентрация тяжёлых изотопов может быть результатом только активного процесса распыления.

Чтобы подтвердить эту гипотезу, научная группа использовала данные, зарегистрированные MAVEN с момента выхода на орбиту Марса в сентябре 2014 года. Целью миссии было измерение электрических полей, создаваемых солнечными ветрами, с одновременным отслеживанием изменений концентрации аргона на большой высоте.

Результат: на высоте более 350 километров плотность аргона варьируется в зависимости от ориентации солнечного электрического поля, в то время как ниже этого предела концентрация остается стабильной. Исследователи также наблюдали обеднение легкими изотопами и относительную концентрацию тяжелых изотопов, что является явным признаком происходящего процесса эрозии атмосферы.

Эти колебания оказались еще более заметными во время исключительного солнечного явления: в январе 2016 года Марс поразило особенно мощное извержение. «Мы наблюдаем, что текущая скорость распыления более чем в четыре раза превышает предыдущие оценки. Солнечная буря может значительно увеличить объем распыления», — поясняют исследователи в своей статье.

«Наши наблюдения подтверждают, что распыление атмосферы на Марсе продолжается. Оно могло быть основным способом утечки атмосферы в ранние периоды существования Солнечной системы, когда солнечная активность и потоки ультрафиолетового излучения были гораздо более интенсивными, чем сегодня», — заключают они.