Куда исчезли марсианские океаны? Разгадка в атомах дейтерия

Марс, наш загадочный сосед, хранит множество тайн. Одна из них — история воды на планете. Когда-то по поверхности Марса текли реки, плескались озера, а возможно, даже существовали океаны. Но куда делась вся эта вода? Ответ на этот вопрос — ключ к пониманию эволюции не только Марса, но и других планет земного типа, включая нашу собственную.

Современная наука уверена, что вода с Марса не исчезла бесследно, а постепенно улетучивается в космическое пространство, превращаясь в атомы водорода и кислорода. При этом атомы водорода, будучи значительно легче, покидают атмосферу планеты с большей скоростью, чем атомы дейтерия — тяжелого изотопа водорода. В результате соотношение дейтерия к водороду (D/H) в оставшейся марсианской воде неуклонно растет, оставляя своего рода «водяной след» в истории планеты. Измеряя это соотношение, ученые могут реконструировать картину потери воды Марсом на протяжении миллиардов лет.

Космические аппараты MAVEN и Hubble, неустанно наблюдающие за красной планетой, предоставили ученым ценнейшие данные о содержании атомов водорода и дейтерия в верхних слоях марсианской атмосферы. Оказалось, что их концентрация подвержена значительным сезонным колебаниям, достигая пика вблизи перигелия — точки максимального сближения Марса с Солнцем. Такой характер изменений указывает на мощный подъем водяного пара из нижних слоев атмосферы, вызванный интенсивной циркуляцией, которая в свою очередь усиливается нагревом от атмосферной пыли.

Особый интерес представляет тот факт, что скорость утечки атомов водорода в космос настолько велика, что она лимитируется не физическими механизмами утечки, а скоростью поступления новых атомов из нижних слоев. Другими словами, водород стремится покинуть атмосферу так быстро, как только может, и его запасы в верхних слоях непрерывно пополняются снизу.

С дейтерием картина оказывается несколько иной. Тепловая скорость атомов дейтерия значительно ниже, чем у водорода, что существенно затрудняет их утечку в космическое пространство. Однако данные наблюдений свидетельствуют о том, что дейтерий все же улетучивается, причем с достаточно высокой скоростью. Это противоречие подтолкнуло ученых к поиску дополнительных механизмов утечки, и наиболее вероятным объяснением стало наличие в верхних слоях марсианской атмосферы «горячих» атомов водорода и дейтерия. Эти атомы, обладающие высокой кинетической энергией, способны преодолевать силу притяжения Марса и улетать в космос, несмотря на свою относительно большую массу.

Таким образом, формируется принципиально новая парадигма понимания процессов потери воды Марсом. И водород, и дейтерий покидают атмосферу планеты с высокой скоростью, которая определяется в первую очередь интенсивностью подъема водяного пара из нижних слоев атмосферы. Разделение изотопов водорода происходит не только за счет различия в их тепловых скоростях, но и благодаря наличию «горячих» атомов, а также процессам конденсации и фотолиза воды в атмосфере.

Эта новая парадигма позволяет переосмыслить историю воды на Марсе и получить более точные данные о количестве воды, которое планета потеряла за миллиарды лет своего существования. Анализ данных MAVEN и Hubble подтверждает гипотезу о том, что в далеком прошлом Марс был теплой и влажной планетой с обильными запасами жидкой воды на поверхности. Со временем большая часть этой воды была потеряна, что привело к формированию современного холодного и сухого климата.

Дальнейшее изучение механизмов утечки водорода и дейтерия с Марса позволит не только уточнить наши представления о прошлом и будущем красной планеты, но и даст ценные сведения о возможности существования жизни на Марсе в разные периоды его истории.