Если вода уходит с Марса очень быстро, она могла там оставаться относительно недавно

«Вода может попасть только в два места. Она может уйти в землю, либо молекулы воды могут распасться на атомы, и эти атомы улетят из верхней части атмосферы в космос», — говорит руководитель исследования Джон Кларк из Центра космической физики Бостонского университета в Массачусетсе. — «Чтобы понять, сколько воды там было и что с ней произошло, нам нужно понять, как атомы уходят в космос».

Кларк и его команда объединили данные Хаббла и MAVEN, чтобы измерить количество и скорость выхода атомов водорода в космос. Эта информация позволила им экстраполировать скорость убегания в прошлое, чтобы понять историю появления и исчезновения воды на Марсе. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Когда-то Марс был очень влажной планетой. Ученые знают, что за последние 3 миллиарда лет часть воды ушла под землю, но что случилось с остальной частью? NASA's Goddard Space Flight Center.

Молекулы воды в марсианской атмосфере распадаются под воздействием солнечного света на атомы водорода и кислорода. В частности, команда измерила водород и дейтерий, который представляет собой атом водорода с нейтроном в ядре. Нейтрон придает дейтерию вдвое большую массу, чем водороду. Поскольку его масса больше, дейтерий уходит в космос гораздо медленнее, чем обычный водород.

Со временем, когда водорода терялось больше, чем дейтерия, соотношение дейтерия и водорода в атмосфере увеличивалось. Измерение этого соотношения сегодня дает ученым ключ к пониманию того, сколько воды было на Марсе в теплый и влажный период. Изучение того, как эти атомы улетучиваются в настоящее время, позволит понять процессы, определявшие скорость ухода в течение последних четырех миллиардов лет.

Хотя большая часть данных исследования получена с космического аппарата MAVEN, MAVEN недостаточно чувствителен, чтобы наблюдать эмиссию дейтерия во время всех сезонов марсианского года. В отличие от Земли, Марс отклоняется от Солнца на своей эллиптической орбите во время долгой марсианской зимы, и выбросы дейтерия становятся слабыми. Кларку и его команде понадобились данные Хаббла, чтобы «заполнить пробелы» и завершить годовой цикл для трех марсианских лет (каждый из которых длится 687 земных дней). Хаббл также предоставил дополнительные данные, начиная с 1991 года — до прибытия MAVEN на Марс в 2014 году.

Сочетание данных этих миссий позволило получить первое целостное представление об атомах водорода, уходящих с Марса в космос.

«В последние годы ученые обнаружили, что годовой цикл Марса гораздо динамичнее, чем предполагалось 10 или 15 лет назад», — объясняет Кларк. — «Вся атмосфера очень турбулентна, она нагревается и остывает за короткие промежутки времени, вплоть до часов. Атмосфера расширяется и сжимается по мере того, как яркость Солнца на Марсе меняется на 40% в течение марсианского года».

Команда обнаружила, что скорость выделения водорода и дейтерия быстро меняется, когда Марс приближается к Солнцу. В классической картине, которую ученые имели ранее, считалось, что эти атомы медленно диффундируют вверх через атмосферу на высоту, с которой они могут улететь.

Но эта картина больше не отражает всей истории, потому что теперь ученые 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 большой высоте.

Другой вывод заключается в том, что изменения в водороде и дейтерии происходят настолько быстро, что требуется дополнительная энергия для их убегания. При низкой температуре верхних слоев атмосферы лишь небольшая часть атомов обладает достаточной скоростью, чтобы избежать гравитации Марса. Более быстрые (сверхтепловые) атомы образуются, когда что-то дает атому дополнительную энергию. Это могут быть столкновения с протонами солнечного ветра, проникающими в атмосферу, или солнечный свет, вызывающий химические реакции в верхних слоях атмосферы.

Изучение истории воды на Марсе имеет фундаментальное значение не только для понимания планет нашей Солнечной системы, но и для эволюции планет размером с Землю у других звезд. Астрономы находят все больше и больше таких планет, но их трудно изучить в деталях.

Марс, Земля и Венера находятся в обитаемой зоне нашей Солнечной системы или вблизи нее, то есть в области вокруг звезды, где на каменистой планете может находиться жидкая вода. Но современные условия на всех трех планетах сильно отличаются. Исследования Венеры и Марса могут помочь ученым понять природу далеких миров в нашей галактике.