Метеориты обнажили мощный слой льда в средних широтах Марса

Летом прошлого года с Марса пришло долгожданное известие – космический аппарат Phoenix докопался до слоя водного льда. Сравнивая два снимка неглубокой траншеи, прорытой механическим совочком Phoenix, ученые заметили, как непонятные белые пятна на ее дне за пару дней заметно уменьшились в размерах. Соль так вести себя не могла, а вот лед – запросто: при очень низком давлении марсианской атмосферы вода быстро сублимирует (переходит из твердой фазы прямиком в газообразную, не превращаясь в жидкость). Научный руководитель проекта Питер Смит торжественно объявил: человечество прикоснулось к марсианской воде.

Событие не было совсем уж неожиданным. Еще в начале 2000-х годов российский прибор HEND на борту американского спутника Mars Odyssey обнаружил существенные залежи водного льда в районе полюсов Марса; вскоре подобные выводы сделал и европейский космический аппарат Mars Express. На наличие вечной мерзлоты указывала и сеть огромных трещин, пересекающих марсианскую поверхность вдоль и поперек в районе посадки Phoenix: предполагается, что они образуются при сезонных расширении и сжатии промерзшей почвы. И тем не менее, ученые радовались: теперь можно было уверенно смотреть на будущее освоения планеты, ведь если люди когда-нибудь станут обживать Марс, без воды им не обойтись.

Лед в тепле

Впрочем, лед, который нашел Phoenix, лежал на глубине в 7-8 см под слоем буро-рыжего грунта, недалеко от границы полярной шапки, съежившейся к приходу скромного заполярного лета. Для будущих поселенцев места не самые привлекательные.

Присутствует ли вода в более низких широтах? Если верить расчетам, лед должен присутствовать и дальше от полюсов, до широты примерно в 60 градусов, но лежать чуть-чуть глубже, в 20-30 см от поверхности. Еще ближе к экватору льда быть не должно: при имеющемся в атмосфере Марса количестве воды подземный лед в средних широтах должен быть нестабильным и появляться лишь в зимнее время в виде грязной смеси воды и песка; доля воды в ней не превышает 50%.

Чтобы проверить эту теорию, достаточно просто копнуть марсианский грунт, как это сделал Phoenix – только на чуть большую глубину. Однако такие эксперименты не проводились уже три десятилетия. Последним, кто рыл траншеи в средних широтах, был спускаемый аппарат Viking 2. В конце 1970-х он прокопал марсианский грунт на глубину в 15 см, но никакого твердого льда не увидел. С тех пор человечество не проводило на Марсе серьезных раскопок – это сложно, рискованно и дорого.

Космический раскоп

На помощь ученым пришла сама природа. Атмосфера Марса очень разрежена и практически не защищает планету от ударов метеоритов и астероидов. Как итог, они гораздо чаще долетают до ее поверхности и образуют на Марсе свежие кратеры. И те, что покрупнее, ежегодно раскапывают марсианский грунт не на 7-8 или даже 15 см, а на многие метры в глубину. Именно такими свежими кратерами занимаются Шейн Берн из университета американского штата Аризона и его коллеги, опубликовавшие статью в сегодняшнем номере Science.

Ученые вели поиски свежих кратеров на изображениях марсианской поверхности, полученных с помощью Марсианского орбитального разведчика (MRO, Mars Reconnaissance Orbiter). Сравнивая снимки, полученные камерой высокого разрешения HiRISE в разное время, ученые искали темные пятна, проявившиеся лишь на последних изображениях. Именно так должны выглядеть выбросы из свежих кратеров, потому что основная часть марсианского грунта темнее рыжего песка, которым ветер постоянно засыпает поверхность планеты. Ученые сосредоточились на окраинах равнин Аркадия и Утопия в северном полушарии Марса, которые HiRISE регулярно фотографирует.

Лед из воронки

С полдюжины свежих кратеров на снимке, как и ожидалось, нашлись, однако при более внимательном их рассмотрении выявилось и кое-что неожиданное. Помимо темных выбросов на дне, склонах и в окрестности новых воронок нашлись и обширные светлые области, которые на цветных снимках отливали тем же голубоватым тоном, как ледники в земных горах. Более того, по прошествии нескольких месяцев этот лед частично испарился – точь-в-точь как испарялся лед из траншеи, выкопанной Phoenix, только в существенно больших пространственных и временных масштабах.

Всего астрономы нашли шесть таких кратеров в пяти районах на широтах от 43 до 56 градусов к северу от марсианского экватора (два кратера находятся всего в 70 метрах друг от друга и образовались одновременно, что интересно уже само по себе, но не является предметом теперешней работы). Размер воронок – от 4 до 12 метров, глубина – от 40 см до 2,5 метра, а возраст на момент начала наблюдений – не более 4 лет, а то и вовсе несколько месяцев.

Бело-голубые пятна вокруг всех кратеров со временем сжимались в размерах. Чтобы окончательно удостовериться, что это вода, а не какой-нибудь белый порошок, ученые даже получили инфракрасный спектр отраженного света с помощью Марсианского компактного разведывательного панорамного спектрометра (CRISM, Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars). Его разрешение – 18 метров, куда хуже, чем у камеры HiRISE, так что спектр удалось получить не для всех выбросов, однако для самых крупных инструмент четко показал признаки воды. И, что самое главное, ничего подобного вне ярких пикселей не видно.

Скорость испарения белого вещества свидетельствует, что это очень чистый лед, который минимум на 99% состоит из воды; снег, которым зимой засыпаны улицы российских городов, гораздо сильнее загрязнен минеральными частицами. Распределение пятен внутри и вокруг кратера показывает, что верхняя граница ледяного слоя лежит на глубине от 10 до 35 см, а его толщина составляет от нескольких сантиметров до полуметра и, возможно, более. И, судя по всему, лед распределен неравномерно – в кратерах, расположенных в не отличающихся внешне районах, лед то есть, то нет. А там, где есть, его толщина изрядно меняется от места к месту.

Как и откуда

Полученные Берном и его коллегами результаты, возможно, и способны воодушевить энтузиастов заселения Марса, однако для ученых представляют очередную головную боль. Непонятно, ни откуда он взялся в средних широтах (где по теории его быть не должно), ни почему он такой чистый (а не состоит из песка и пыли хотя бы наполовину).

На первый вопрос ученые отвечают непосредственно в статье. 60-я параллель является границей распределения глубинного льда для нынешнего содержания воды в атмосфере Марса. Однако наклон оси планеты к плоскости ее вытянутой орбиты, равно как и взаимная ориентация орбитального эллипса и планетной оси, постоянно меняются. Это влияет на климат, летние и зимние границы полярных шапок и среднюю влажность в атмосфере.

По подсчетам ученых, чтобы объяснить появление льда на тех широтах, где он наблюдается, влажность марсианской атмосферы на момент образования ледового слоя должна быть всего в полтора раза выше. При этом речь не идет о том влажном прошлом, которое существовало на Марсе миллиарды лет назад – следы того климата давно стерлись. По мнению Берна, Марс мог быть в полтора раза более влажным всего несколько тысяч лет назад.

Кстати, Viking 2 в рамках этой модели не докопал до льда всего ничего – в месте его раскопок лед должен быть на глубине 24 см против 15 см, до которых он добрался.

Вода и дороги

Другое объяснение – смерзание снега, нападавшего в средних широтах около 400 тысяч лет назад, когда ось планеты была наклонена сильнее, чем сегодня, а полярный круг, соответственно, проходил ближе к экватору. Однако и этот вариант, судя по всему, не проходит: 350 тысяч лет назад ось, напротив, была значительно «перпендикулярней» к орбите планеты, полярный круг – ближе к полюсам, и, по подсчетам, в эту эпоху любой накопившийся 50 тысячами лет ранее лед исчез бы из-под поверхности.

Самому Берну больше нравится другая теория. Даже при очень низких температурах на поверхности небольших частичек льда (он мог осесть из той же атмосферы) имеются почти свободные молекулы воды, которые ведут себя как жидкость. Жидкость может подниматься по порам почвы и, теряя при подъеме энергию, в итоге застывает приблизительно на одном уровне (он определяется температурой поверхности). Когда такой ледяной слой образовался, он начинает работать как термостат, к которому снизу намерзают все новые и новые пленки независимо от погоды и климата. По мнению ученого из Аризоны, слой льда на Марсе мог образоваться именно так.

Такой процесс, кстати, работает и на Земле, но лишь во время холодного сезона. Именно так на Севере и в горах образуются ледяные линзы, которые так поражают при первом с ними знакомстве. Он же виноват и в явлении со странным названием «пучение грунта» – когда подобная линза тает и замерзает вновь, земля поднимается. При этом перекашиваются стены домов, строители которых пожадничали углубить фундамент до уровня промерзания почвы, и разрушаются дороги, при прокладке которых о фундаменте вообще никто не заботится.

Так что когда в следующий раз будете ругать разбитые российские дороги, вспомните, что то же явление когда-то может дать доступный источник воды смелым покорителям Марса. Возможно, это вас утешит.