Ученые NASA при помощи телескопа «Хаббл» и космического аппарата MAVEN раскрыли тайну исчезновения воды на Марсе. Исследователи объединили данные с двух миссий, чтобы измерить количество и скорость выхода атомов водорода в космос. Это позволило экстраполировать скорость назад во времени и понять историю воды на красной планете.

Молекулы воды в марсианской атмосфере распадаются под действием солнечного света на атомы водорода и кислорода. Команда измерила водород и дейтерий, который представляет собой атом водорода с нейтроном в ядре. Этот нейтрон даёт дейтерий, масса которого в два раза больше массы водорода. Поскольку его масса больше, дейтерий улетает в космос гораздо медленнее, чем обычный водород.

Со временем, поскольку водорода терялось больше, чем дейтерия, соотношение дейтерия и водорода в атмосфере росло. Измерение этого соотношения сегодня даёт учёным подсказку о том, сколько воды присутствовало в тёплый, влажный период на Марсе. Изучая, как эти атомы «убегают» в настоящее время, можно понять процессы, которые определяли скорость «убегания» за последние четыре миллиарда лет, и, таким образом, экстраполировать назад во времени.

Хотя большая часть данных исследования поступает с космического аппарата MAVEN, он недостаточно чувствителен, чтобы увидеть выбросы дейтерия в любое время марсианского года. В отличие от Земли, Марс отклоняется далеко от Солнца по своей эллиптической орбите во время долгой марсианской зимы, и выбросы дейтерия становятся слабыми.

Снимки Марса в дальнем ультрафиолете, сделанные «Хабблом» вблизи его самой удалённой от Солнца точки 31 декабря 2017 года (вверху), и его самого близкого сближения с Солнцем 19 декабря 2016 года (внизу). Атмосфера ярче и более протяжённая, когда Марс находится близко к Солнцу. Отраженный от Марса солнечный свет на этих длинах волн показывает рассеяние атмосферными молекулами и дымкой, в то время как заметны полярные ледяные шапки и некоторые особенности поверхности.
Источник: NASA, ESA, STScI, John T. Clarke (Boston University), Joseph DePasquale (STScI)

Джону Кларку, руководитель исследования из Центра космической физики Бостонского университета в Массачусетсе и его команде нужны были данные «Хаббла», чтобы «заполнить пробелы» и завершить годовой цикл в течение трёх марсианских лет (каждый из которых составляет 687 земных дней). «Хаббл» также предоставил дополнительные данные, начиная с 1991 года — до прибытия MAVEN к Марсу в 2014 году.

Объединение данных этих миссий позволило получить первое целостное представление об атомах водорода, покидающих Марс и покидающих космос. «В последние годы учёные обнаружили, что Марс имеет годовой цикл, который гораздо более динамичен, чем ожидали 10 или 15 лет назад. Вся атмосфера очень турбулентна, нагревается и остывает в короткие сроки, вплоть до часов. Атмосфера расширяется и сжимается, поскольку яркость солнца на Марсе меняется на 40% в течение марсианского года», — объяснил Кларк.

Команда обнаружила, что скорости утечки водорода и дейтерия быстро меняются, когда Марс находится близко к Солнцу. В классической картине, которая была у учёных ранее, эти атомы, как считалось, медленно диффундируют вверх через атмосферу на высоту, где они могут «убежать».

Но эта картина больше не отражает точно всю историю, поскольку теперь учёные знают, что атмосферные условия меняются очень быстро. Когда Марс находится близко к Солнцу, молекулы воды, которые являются источником водорода и дейтерия, очень быстро поднимаются через атмосферу, высвобождая атомы на больших высотах.

Второе открытие заключается в том, что изменения в водороде и дейтерии происходят настолько быстро, что для их объяснения требуется дополнительная энергия для «атомного побега». При температуре верхней атмосферы только небольшая часть атомов имеет достаточную скорость, чтобы вырваться из гравитации Марса. Более быстрые атомы производятся, когда что-то даёт атому толчок дополнительной энергии. К таким событиям относятся столкновения протонов солнечного ветра, врезающихся в атмосферу, или солнечный свет, который запускает химические реакции в верхней атмосфере.

Изучение истории воды на Марсе имеет основополагающее значение не только для понимания планет в нашей Солнечной системе, но и для эволюции планет размером с Землю вокруг других звёзд. Астрономы находят всё больше таких планет, но их трудно изучать в деталях.