Что мы знаем о Марсе?

По случаю четвертой годовщины посадки марсохода Curiosity рассказываем о современных знаниях о Марсе.

Планета Шелезяка: воды нет, полезных ископаемых нет, населена роботами…». Похоже на Марс, но совпадает только пункт с роботами, остальное там есть, хоть и не так много, как на Земле. Что о Марсе достаточно хорошо известно? Четвертая планета от Солнца. Меньше Земли, больше Меркурия. Вулкан Олимп — самая большая в Солнечной системе гора, она же — самый большой вулкан. Долина Маринера — самый большой в Солнечной системе каньон, который в сотни раз превышает самый большой каньон на Земле.



Глобальные пылевые бури. Разреженная углекислотная атмосфера. Рыжий цвет, обусловленный оксидами железа, покрывающими поверхность. Думаю, это тот минимум, который знает или должно знать о соседней планете подавляющее большинство обитателей планеты Земля.

Однако изучение Марса продолжается, новые факты и открытия объявляются регулярно практически на каждой планетологической научной конференции. Попробуем обновить наши знания, добавив им свежести и полноты.

Начнем с атмосферы. Несмотря на ее разреженность, атмосфера — это самая «живая» часть Марса, в которой происходит множество интересных процессов. Плотность атмосферы Марса составляет в среднем 1/125-ю часть от плотности атмосферы Земли. При этом ее толщина немногим уступает толщине атмосферы Земли — это происходит из-за меньшей силы притяжения. Поэтому исследовательские спутники землян вынуждены летать на высотах больше 250 км, чтобы атмосфера не оказывала существенного влияния на орбиту.

Глобальные марсианские пылевые бури нерегулярны и происходят примерно раз в 6 земных лет. В то же время каждый марсианский год атмосфера переживает масштабные процессы испарения углекислотной полярной шапки в летнем полушарии и намерзания такой же шапки на зимнем полюсе планеты. В такой перекачке участвует до четверти всей массы атмосферы.



Такая динамика порождает локальные бури, которые часты у полюсов, но довольно редко добираются до экватора. К примеру, марсоход Curiosity, работающий в 5 градусах южнее экватора, лишь однажды на два дня оказался в пыли, ограничившей видимость десятью километрами. В другое время видимость поддерживается до 40 км, а в отдельные спокойные зимние недели можно рассмотреть вершины гор на расстоянии 80 км.

Практически в любое время года в атмосфере Марса висит рыжая пыль, хотя в зависимости от времени года ее концентрация меняется. Самые «пыльные» времена — осень и весна, когда происходит перекачка атмосферы от одного полюса к другому. В это время цвет неба оранжево-бежевый вплоть до коричневого во время бурь. В спокойные месяцы пыль оседает, зенит чернеет, и бежевый цвет неба спускается к горизонту. В такое время возможно наблюдение голубоватых оттенков неба, когда солнце приближается к горизонту и атмосферные газы успевают немного рассеять голубую составляющую солнечного спектра.

Кроме масштабных пылевых бурь, покрывающих всю планету или существенные ее части, на Марсе можно наблюдать деятельность малых вихрей, которые американские ученые называют Dust Devil. Чаще всего они выглядят как пыльный хобот, поднимающийся на высоту от нескольких метров до нескольких сот метров.



Dust Devil могут быть и невидимками. Например, датчики атмосферного давления Curiosity неоднократно регистрировали прохождение маленького вихря по аппарату, в то же время камеры не смогли ни разу снять такой вихрь, хотя попытки предпринимаются регулярно. Зато Opportunity периодически удается увидеть мелкие вихри, которые заодно помогают чистить его солнечные батареи от пыли.



Из-за частых пылевых бурь у кого-то может сформироваться впечатление, что Марс просто под завязку завален пылью, из-за чего невозможно изучение его геологии in situ — непосредственно на месте. Семисантиметровый бур последнего марсохода у многих вызывает удивление своей короткой длиной. Пыль, конечно, покрывает на Марсе всё пространство, куда может дотянуться ветер, но толщина пылевого слоя подчас не превышает долей миллиметра. Процесс атмосферной эрозии на Марсе еще продолжается, он способствует увеличению объемов пыли, но участки поверхности, подвергающиеся эрозии, голые. В одном из таких мест как раз и работает Curiosity.

Хорошим аргументом в пользу низкой интенсивности отложения продуктов выветривания может служить пример парашютов посадочных модулей автоматических космических станций прошлого века. В 2012 году удалось обнаружить парашют «Марса-3» (1971 год посадки), а затем и сам аппарат.



Документированы парашюты станций Viking-1 (1976 год) и Mars Pathfnder (1997 год). Скрытым под слоями пыли можно признать парашют Viking-2, и никак не удается обнаружить признаки парашюта «Марса-6», хотя предпринимались неоднократные попытки.

Пыль в атмосфере может распределяться в нескольких слоях, формировать облака, в том числе высотные, и подниматься до высот не менее чем 50 км или даже выше на несколько десятков километров.

Зачастую в публикациях СМИ путают пыль и песок. Это на Земле возможны песчаные бури и перенос песка на сотни километров. Для Марса такое актуально только для пыли — размер частичек которой не превышает 0,1 мм. Более крупный песок ветром тоже перемещается, но на считанные сантиметры — до метра в течение года.



На Марсе внимательно изучается вулканический кратер Нили Патера, на дне которого «ползают» песчаные дюны. За их движением в течение многих лет ведется наблюдение при помощи камеры высокого разрешения HiRise спутника MRO. Движение песчаных дюн удалось обнаружить и в других местах Марса.



Еще одним интересным объектом для изучения являются полярные ледяные шапки. Полярные ледники — это, пожалуй, первые объекты на поверхности Марса, которые были определены людьми. Когда астрономы увидели сходство полюсов Земли и Марса, а затем различили темные пятна на рыжих боках планеты, то Марс показался полной копией Земли, и идея о местных жителях была вполне логична.

Поначалу полярные шапки Марса считались водяными, и их ежегодная переменчивость породила гипотезы о регулярных наводнениях талой воды, которые наложились на ошибочные наблюдения марсианских «каналов». Однако уже в середине ХХ века удалось установить, что основную площадь зимних полюсов закрывает углекислотный лед, а вода остается в небольших по площади летних полярных шапках. Благодаря радару MARSIS спутника Mars Express удалось установить мощность полярных водяных отложений: на севере — 1,7 км, на юге — до 3 км. Если взять полярные льды и растопить, то получится целиком залить водой высотой 21 м идеально гладкую планету размером с Марс. Соответственно, если растопить вот эти запасы, то на маленький океанчик или несколько небольших морей Марса нам хватит.



Исследования поверхности Марса указывают, что ранее воды было больше. На планете наблюдаются пустые речные русла, речные дельты, остатки озер, и есть даже некоторые признаки бывшего океана, занимавшего от четверти до трети всей планеты. Вопрос, куда подевались обширные запасы марсианской воды, пока не имеет точного ответа, но есть две гипотезы: первая — вода ушла в грунт, связалась с минералами и сформировала грунтовые ледники; вторая — вода диссипировала в космос. Хотя всё больше аргументов склоняет ко второй гипотезе, вода на Марсе находится не только на полюсах и в приполярье. Подповерхностные ледники определяются в северном полушарии до 40-х параллелей к экватору — для Земли это широта Сочи. Имеются залежи льда к востоку от долины Эллада, и даже у экватора, содержание воды составляет от 5% до 10% в грунте.



Всё это время мы говорили о воде в твердой фазе или в связанном агрегатном состоянии. Атмосферное давление Марса не способствует поддержанию воды в жидкой фазе: даже в низменных регионах с самым высоким давлением вода выкипает уже при +10 °C, а учитывая сезонные колебания плотности атмосферы, а также температуру свыше +10 °С в летние дни, длительное сохранение воды на поверхности практически исключается. Но недавние исследования гиперспектрометра CRISM и камеры HiRise добавили аргументов гипотезе, что в грунте Марса возможно поддержание воды в жидком состоянии при минусовой температуре в форме рассолов солей хлорной кислоты.

До недавнего времени ученые не могли дать утвердительный ответ на вопрос о наличии органических соединений на Марсе. Первые данные появились при наземных наблюдениях, когда определили присутствие метана в атмосфере Марса. Для поиска органики на Красную планету отправился марсоход Curiosity. Первые его данные в конце 2012 года оказались обнадеживающими, но потом выяснилось, что произошла ошибка и марсоход «обнаружил» органику, которую сам же с собой и привез — повредилась емкость с растворителем для «мокрого» анализа грунта. Через год, когда аппарат накопил статистику исследования разных типов грунтов, удалось сказать более уверенно — органика есть. Нашелся хлорбензол.



Еще через год удалось подтвердить и появление метана в атмосфере Марса, хотя о процессах, вызывающих выделение этого газа, пока нет однозначного мнения.

Следует учитывать, что найденные органические соединения не являются прямым подтверждением наличия в прошлом Марса биологической активности. Органические соединения известны на Меркурии, на кометах, астероидах, спутниках планет-гигантов, в атмосфере самих планет-гигантов и в других местах близкой и далекой Вселенной. Определить биомаркеры в органических соединениях Марса сможет миссия марсохода ExoMars, запуск которой планируется на 2020 год.

Важная находка с точки зрения возможной прошлой или будущей жизни — нитраты в некоторых геологических слоях в кратере Гейла. Для Земли нитраты считаются удобрением и используются по назначению. Для Марса найденные нитраты означают, что в прошлом были условия, позволяющие развиваться известным нам формам жизни, и подобная находка открывает перспективы для будущего земледелия (точнее, марсоделия) и сельского хозяйства.

Анализ грунта Марса, проведенный массспектрометром SAM на борту марсохода Curiosity, показал, что при нагреве грунта до +400 °С происходит выделение углекислого газа, водяных паров, кислорода и азота, что в целом пригодно для использования в будущей хозяйственной деятельности человека на Марсе.

В контексте пилотируемого полета на Марс в обязательном порядке поднимается вопрос о радиационной опасности во время полета и при работе на поверхности. Исследования радиационных условий во время перелета к Марсу и на его поверхности поводились и проводятся прибором RAD на борту марсохода Curiosity.

Изучение воздействия космических лучей во время перелета к Марсу дали не очень обнадеживающие данные: риск для людей превышает в полтора раза допустимый для астронавтов, а для космонавтов допуски еще строже. На поверхности условия более приемлемые. Воздействие ионизирующих частиц на поверхности Марса примерно вдвое ниже, чем в условиях космического перелета, и при низкой активности Солнца соответствует радиационному фону на борту Международной космической станции.

Обязательным этапом изучения Марса станет доставка на Землю образцов грунта. Пока эта задача является достаточно сложной, но остается в проектах NASA и Роскосмоса. Пока есть возможность изучения метеоритов, которые, как считается, прилетели с Марса. В 1990-е годы сообщалось, что в одном из метеоритов обнаружили окаменелости, похожие на бактерии, однако большинство ученых оспорило эту гипотезу. Недавно любопытные окаменелые структуры были обнаружены в другом метеорите.



Внешне находка напоминает клетку, в которой можно определить вакуоли и даже клеточные поры, однако пока это случай единичный и слишком мало фактических данных чтобы заявлять о сенсации. Остается только надеяться на более продуктивные находки нынешних и будущих исследовательских миссий.

Источник: geektimes.ru/post/279218/