Нужно ли Марсу магнитное поле?

Многие еще с уроков природоведения (и стараниями многочисленных научно-популярных фильмов и публикаций) твердо заучили как истину: магнитное поле Земли защищает нас от солнечной радиации, а атмосферу — от выдувания солнечным ветром. Причем это «выдувание» многими воспринимается буквально — как механический процесс выноса газов атмосферы потоками солнечной плазмы.

Земное магнитное поле в таких картинах рисуют героическим защитником, который встает щитом на пути злых потоков огненного ветра, посылаемого Солнцем.

Однако современные космические исследования дают все больше оснований пересматривать эту картину в сторону усложнения процессов взаимодействия гелиосферы и геосферы. Более честные схемы уже указывают, что магнитосфера не спасает от утечки атмосферы с полюсов, а скорее даже способствует.

Для начала следует разобраться в причинах потери атмосферы планетами.

Диссипация (рассеяние) атмосфер в космос имеет термическое и нетермическое происхождение. Термических механизмов два: так называемый «джинс» и гидродинамический. Первый — это нагрев молекул атмосферы солнечным светом. Как известно температура — это интенсивность движения атомов и молекул. Если вокруг нагретой молекулы много соседей, она передает им свою энергию движения и замедляется. Если же поблизости молекул и атомов не окажется, а приток энергии не прекратится, то в какой-то момент молекула нагреется до такого состояния, что она, как настоящий космический корабль, покинет пределы атмосферы набрав вторую космическую скорость. Примерно это и происходит в верхних слоях атмосферы — «термосфере». И чем ближе к Солнцу планета, тем сильнее воздействие этого фактора. Но тут многое зависит от массы планеты. Например водород и гелий с легкостью покидают пределы атмосферы Венеры, а вот более массивные молекулы СО2 удерживаются достаточно сильной гравитацией планеты. На Земле, кстати, то же самое происходит, только с меньшей интенсивностью, но 250 тонн водорода и 4 тонны гелия навсегда прощаются с нами каждые сутки.

Сходный с термическим процесс — фотохимический, когда под воздействием ультрафиолетовых лучей молекулы распадаются на отдельные атомы, например вода разделяется на водород и кислород, что способствует улетучиванию водорода.

Марс находится дальше от Солнца, поэтому атмосфера получает меньше света, но и масса планеты ниже, поэтому он ежесуточно теряет по разным данным от 1 до 100 тонн атмосферы — в основном углекислого газа.

Но мы же помним, что у Марса нет магнитного поля! Доберемся и до него, а пока рассмотрим еще один тепловой способ потери атмосферы — гидростатический.

Если нагрев атмосферы планеты достаточно интенсивный, и если есть какие-нибудь дополнительные источники тепла внизу, то более тяжелые молекулы газа могут увлекаться потоками легких частиц, нагреваться и набирать ту же вторую космическую, чтобы уже никогда не вернуться на планету. Вероятно, именно по этой причине вулканически активный и массивный спутник Юпитера Ио не имеет сколь-нибудь существенной атмосферы — ее постоянно выдувает мощными извержениями вулканов.

Есть еще один путь избавиться от атмосферы, который отчасти схож с предыдущим гидростатическим, — импактный. Мы все знаем, как выглядят мощные взрывы — столб дыма вздымается в небеса, превращаясь в гриб. Если взрыв будет достаточной силы, то этот столб поднимется до космоса, где в разреженной атмосфере разогретые молекулы смогут разогнаться достаточно, чтобы улететь навсегда. Для планет с относительно сильным гравитационным полем и плотной атмосферой вроде Земли и Венеры этот фактор может быть незначительным, а вот для Марса потери могут быть куда существеннее, да и досталось ему, кажется, больше чем Земле — астероидный пояс-то рядом. Этот фактор играет против тех, кто предлагает обрушить на Марс астероид или комету побольше — надо еще посчитать, останется ли что-нибудь после взрыва.

Насколько существенную роль в потере атмосферы Марса сыграл импактный механизм, пока сказать сложно. Можно провести лишь приблизительные расчеты, но даже грубые прикидки мне не встречались. Однако не стоит забывать, что Марс сильнее всего пострадал, так же как и Луна и Земля, в период Поздней тяжелой бомбардировки, примерно 3,8 млрд лет назад. Но в те годы на Марсе была еще плотная атмосфера.

Важный момент: на все вышеперечисленные факторы магнитное поле не влияет никаким образом. Поэтому Земле, через пару миллиардов лет грозит судьба Марса и Венеры — полное улетучивание водорода, превращение в пустыню. Тут могла бы быть реклама SPA-салона или приморского курорта: наслаждайтесь жидкой водой, пока есть такая возможность.

Может атмосфера истончаться и не покидая планету. Такое проиcходит, когда атмосферные газы вступают в химическое или физическое взаимодействие с поверхностью. Углерод и кислород может эффективно связываться, вступая в реакции с горными породами. Считается, что если выпустить весь углерод Земли, который сейчас связан в залежах углеводородов и карбонатных пород, то наша атмосфера не будет сильно отличаться от венерианской. Поэтому надо сказать «спасибо» миллионам лет эволюции микроорганизмов, которые превратили нашу Землю в цветущий сад. Водород и кислород могут эффективно выводиться из атмосферы путем превращения в воду и формирования океанов или ледников, и чем дальше от Солнца, тем больше всяких газов могут превращаться в лед.

Теперь вернемся к солнечному ветру и магнитному полю. Солнечный ветер — это поток заряженных частиц (электронов, протонов и альфа-частиц). Частицы имеют разную скорость и про медленные (скоростью 300−500 км/с) частицы говорят «медленный солнечный ветер», про быстрые (600−800 км/с) — «быстрый солнечный ветер», а про высокоскоростные (900 км/с и выше) — «солнечная радиация». Солнце излучает и массу других «радиаций»: ультрафиолетовую, рентгеновскую, нейтронную, вплоть до гамма, но мы сейчас поговорим про ту, которая имеет электрический заряд и на которую оказывает воздействие магнитное поле.

Итак, солнечные частицы несутся от Солнца в сторону Земли. На расстоянии примерно 10 радиусов Земли на них начинает оказывать воздействие наше магнитное поле — и отклонять их. Чем меньше энергия частиц, тем эффективнее они отклоняются магнитным полем. На месте этой встречи формируется ударная волна. В результате какие-то частицы проскакивают через магнитные линии, но отклонившись пролетают мимо Земли, какие-то поглощаются атмосферой, но подавляющее большинство выстраиваются вдоль магнитных линий и вливаются в имеющиеся торовые потоки заряженных частиц вокруг Земли, которые называются «радиационные пояса». Ура, планета спасена, магнитное поле сделало свое героическое дело... Но, что это? Почему красным и зеленым светом загорелись наши полюса?

Northern Light from Mikel on Vimeo.

Полярные сияния — прекрасное зрелище, пока не задумаешься о физике процессов, которые там происходят. А происходит следующее: магнитные линии не только захватывают солнечные частицы, но и частично направляют к полюсам. Вновь прибывшие частицы дополнительно разгоняются магнитным полем и обрушиваются в земную атмосферу. Они выбивают электроны у нейтральных атомов и молекул, те становятся заряженными и светятся от негодования. Заряженные ионы формируют электрическое поле, которое начинает работать как ускоритель и разгоняет ионы (молекулы, потерявшие электрон) так, что они набирают вторую космическую скорость и покидают планету. Именно так происходит процесс электромагнитной диссипации, от которой нас якобы спасает магнитное поле. Помните про улетающий с Земли водород и гелий? Добавьте сюда еще и кислород, который слишком тяжел для термической диссипации и улетает с Земли только благодаря такому «доброму» и «заботливому» магнитному полю. Пока не известен объем потери кислорода от каждой красивой ночи в Приполярье, но сам факт уже доказан европейскими спутниками Cluster.

Что же будет, если удару потоков солнечного ветра подвергнется планета, не имеющая магнитного поля? Здесь все будет драматичнее — солнечные частицы беспрепятственно приблизятся к планете на расстояние в полтора ее диаметра и примутся бомбардировать верхние слои ее атмосферы. Молекулы газов начнут терять электроны, приобретать заряд и... этим же зарядом отталкивать потоки солнечного ветра. То есть тут тоже сформируется ударная волна, как и с магнитным полем, которая не подпустит ближе основную массу солнечных частиц. Именно благодаря такому эффекту Венера не растеряла свою невероятно плотную атмосферу находясь намного ближе к Солнцу, чем Земля или Марс.

Пока ученые не могут сказать, насколько существенен вклад электромагнитной диссипации в деградацию марсианской атмосферы. Для того, чтобы ответить на этот вопрос, на Марс послан спутник MAVEN. Пока же о потере марсианской атмосферы известно несколько фактов:

— сейчас в сутки теряется менее 1 тонны атмосферы — это узнал космический аппарат Mars Express, но измерения проводили в солнечный минимум; — с момента формирования планеты до сегодняшнего дня Марс потерял из атмосферы столько водорода, сколько могло содержаться в океане глубиной 110 метров, покрывавшем всю планету — это узнали астрономы Европейской южной обсерватории, проанализировав изменение соотношения легкого и тяжелого изотопа водорода в атмосфере Марса; — во всех известных льдах Марса содержится такое количество воды, какое заполнило бы планету океаном примерно 25 метров глубиной; — под воздействием солнечного ветра Марс может терять кислород в 100 раз интенсивнее, чем показал Mars Express, — такие данные вышли по результатам моделирования, однако многие оспаривают достоверность этих результатов. При этом, даже если Марс терял 100 тонн кислорода ежесуточно в течение 3,5 млрд лет, то потеря была бы эквивалентна потере 10 метров воды в условном океане по всей планете; — углекислого газа, связанного с известными карбонатами в грунте Марса, хватило бы, чтобы увеличить плотность нынешней атмосферы примерно в 3 раза, а чтобы Марсу набрать плотность атмосферы, сравнимую с земной, то таких запасов надо в 30 раз больше.

Получается, что на сегодня ученые только догадываются о механизмах, которые привели к потере 1/3 всей атмосферы Марса, и не знают куда делось еще 2/3. Неизвестно сколько в эту потерю внесли механизмы электромагнитной (солнечный ветер), гидростатической (мощные извержения супервулканов) и импактной (падения астероидов) диссипации. При этом вклад солнечного ветра в истощение атмосферы сейчас изучается и в ближайшие годы будет более конкретный ответ на этот вопрос, а вулканы и астероиды к настоящему времени можно исключить из существенных факторов деградации атмосферы Марса.

Подведем итоги: пример Венеры показывает, что солнечный ветер не является решающим фактором улетучивания атмосферы. Для Марса его воздействие примерно в четыре раза менее интенсивно. Часть факторов, которые могли привести к потере атмосферы Марса в прошлом, на сегодня не являются существенными: падения астероидов и мощные вулканические извержения. Тепловое излучение Солнца из-за удаленного расположения Марса тоже не является решающим фактором диссипации, по крайней мере сейчас, когда легких водорода и гелия в атмосфере практически не осталось. Поэтому все, что нам осталось сделать ради превращения Марса в цветущий сад, — это дождаться результатов спутника MAVEN и найти несколько миллиардов эксаджоуэлей энергии, чтобы магическим образом наполнить атмосферу Марса неизвестно где добытым газом.