Вода на ледяном Марсе могла течь из-за коллапса углекислого газа

Согласно новому исследованию, на холодном древнем Марсе под защитой толстых льдов текли реки и набиралось озеро размером со Средиземное море.

Об этом рассказывается в пресс-релизе Института планетарных наук (PSI), передают OstanniPodii.com.

Исследование, возглавляемое научным сотрудником PSI Питером Бюлером, было опубликовано в "Journal of Geophysical Research: Planets". В статье описывается, как 3,6 миллиарда лет назад углекислый газ вымерз из атмосферы Марса и отложился на поверхности водяного ледового покрова на полюсах, изолируя тепло, исходящее из недр планеты, увеличивая давление на лед. Это привело к тому, что примерно половина общего запаса воды на Марсе растаяла и растеклась по его поверхности без необходимости климатического потепления.

Предыдущая работа Бюлера была сосредоточена на моделировании современного круговорота углекислого газа на Марсе. Недавно он расширил свою модель, чтобы исследовать обмен углекислого газа с марсианским реголитом -- песком и горными породами. Таким образом, его модель охватывает полный круговорот углекислого газа от реголита до атмосферы и замерзших полярных шапок.

Для этого исследования он применил модель к ключевой эпохе в истории Марса.

"Эта модель описывает происхождение основных ландшафтных особенностей Марса -- таких как самое большое озеро, самые большие долины и самая большая система эскеров (остатки рек, которые когда-то протекали под ледяным покровом) -- в самосогласованный способ", - объясняет Бюлер. "И все это опирается только на процесс, который мы наблюдаем уже сегодня, а именно на углекислый газ, выпадающий из атмосферы".

Ученые знали еще с 1970-х годов, что большая часть углекислого газа Марса сейчас связана в реголите слоями толщиной в одну молекулу вокруг каждой крупинки.

Поэтому, когда Бюлер включил реголит в свою модель, он обнаружил, что "атмосфера в основном является лишь вспомогательным элементом", - сказал он. "Она действует как канал для реального действия, которым является обмен между реголитом и южной полярной ледяной шапкой, даже сегодня".

Цикл контролируется степенью наклона вращения Марса, который медленно смещается вперед и назад каждые 100 000 марсианских лет.

Когда Марс вращается почти прямолинейно вверх-вниз, полюса не получают много прямого солнечного света, в то время как солнце обжигает экватор. В этих условиях углекислый газ выходит из реголита в атмосферу. Когда он достигает холодных полюсов, он оседает на вершине водяной ледяной шапки.

И наоборот, когда Марс сильно наклонен, солнце легко нагревает полюса. В результате углекислый лед сублимируется -- или непосредственно превращается из твердого льда в газ -- в атмосферу, где более прохладный реголит может "впитать его обратно, как губка", - говорит Бюлер.

Эта модель хорошо работает для современного Марса, поэтому Бюлер хотел проверить, как бы она работала во времена, когда планета имела гораздо более густую атмосферу из углекислого газа -- около 3,6 миллиарда лет назад. Именно тогда, по мнению ученых, атмосфера Марса впервые начала разрушаться и начал функционировать современный круговорот углекислого газа, описанный Бюлером. Существуют также доказательства того, что эта эпоха совпадает с возникновением многих сетей речных долин, но ученые до сих пор не пришли к согласию относительно климатических условий, которые бы объясняли их формирование.

В модели Бюлера слой углекислого газа толщиной 0,65 километра откладывается поверх слоя водяного льда толщиной 4 километра, примерно такой же толщины, как тот, что существует сегодня на Южном полюсе. Углекислый газ действует как мощный изолятор, задерживая тепло, излучаемое из горячих недр планеты внизу. Он также добавляет вес и давление на верхнюю часть водяной ледяной шапки.

Бюлер обнаружил: вместе эти условия растапливают огромное количество воды из основания ледяной шапки.

Затем талая вода пропитывает марсианскую кору до краев ледяного покрова. Там подземные воды пытаются вырваться наружу, но вместо этого замерзают в виде многолетней мерзлоты.

"Теперь у вас есть шапка сверху, насыщенный уровень грунтовых вод снизу и многолетняя мерзлота по краям", - говорит Бюлер. "Единственный путь, который остался для воды -- через границу между ледяным покровом и горной породой, лежащей под ним. Вот почему на Земле вы видите, как реки вытекают из-под ледников, а не просто стекают в землю".

Эта талая вода формирует реки у основания ледяного покрова. Эти подледные реки оставляют после себя длинные гравийные гряды, которые называются эскерами. Ученые наблюдали много эскеров вблизи Южного полюса, размеры которых соответствуют подледным рекам, предсказанным моделью Бюлера.

"Эскеры свидетельствуют о том, что в какой-то момент на Марсе существовало подледное таяние, и это большая загадка", - говорит Бюлер. "Люди пытались обнаружить процессы, которые могли бы это сделать, но ничего не получилось. Сейчас лучшая гипотеза заключается в том, что произошло какое-то неопределенное глобальное потепление, но этот ответ меня не удовлетворяет, потому что мы не знаем, что могло вызвать это потепление. Эта модель объясняет эскеры, не ссылаясь на климатическое потепление".

Когда подледные реки достигают края ледяного покрова, они сталкиваются с холодной атмосферой и сначала образуют сочащиеся потоки, похожие на медленную лаву, покрытую застывшей коркой. В конце концов, эти покрытые льдом истоки наполняются достаточным количеством воды, чтобы превратиться в настоящие ледниковые реки. Бюлер прогнозирует, что толщина льда, покрывающего реки, должна достигать от десятков до сотен метров, и покрывает реку глубиной в несколько метров, по которой течет вода со скоростью несколько метров в секунду, а талой воды хватает для того, чтобы достичь длины до тысяч километров. Есть несколько длинных извилистых долин, ведущих из южного полярного региона, богатого эскерами, в бассейн Аргира, которые ранее были определены как древние речные русла, что согласуется с прогнозом его модели.

По словам Бюлера, покрытая льдом вода заполняет бассейн Аргир, который по объему равен Средиземному морю, в течение десятков тысяч лет, прежде чем он разливается и вытекает почти за 8 000 километров на северных равнинах. Этот процесс, вероятно, происходил несколько раз с интервалом в миллионы лет в течение стомиллионной эры.

"Это первая модель, в которой производится достаточное количество воды, чтобы покрыть Аргир, что согласуется с многолетними геологическими наблюдениями", - говорит Бюлер. "Также вероятно, что талая вода, попав вниз по течению, сублимировалась обратно в атмосферу, прежде чем вернуться на южную полярную шапку, увековечивая гидрологический цикл от полюса до экватора, который, возможно, сыграл важную роль в загадочном импульсе гидрологической активности на Марсе на поздней стадии. Более того, для его объяснения не требуется потепление на поздней стадии".

Далее Бюлер планирует будущие испытания своей модели. По его словам, если результаты подтвердятся, они кардинально изменят наше понимание древнего водного цикла Марса. "Эскеры свидетельствуют о том, что в какой-то момент на Марсе существовало подледное таяние, и это большая загадка", - говорит Бюлер. "Люди пытались обнаружить процессы, которые могли бы это сделать, но ничего не получилось. Сейчас лучшая гипотеза заключается в том, что произошло какое-то неопределенное глобальное потепление, но этот ответ меня не удовлетворяет, потому что мы не знаем, что могло вызвать это потепление. Эта модель объясняет эскеры, не ссылаясь на климатическое потепление".

Когда подледные реки достигают края ледяного покрова, они сталкиваются с холодной атмосферой и сначала образуют сочащиеся потоки, похожие на медленную лаву, покрытую застывшей коркой. В конце концов, эти покрытые льдом истоки наполняются достаточным количеством воды, чтобы превратиться в настоящие ледниковые реки. Бюлер прогнозирует, что толщина льда, покрывающего реки, должна достигать от десятков до сотен метров, и покрывает реку глубиной в несколько метров, по которой течет вода со скоростью несколько метров в секунду, а талой воды хватает для того, чтобы достичь длины до тысяч километров. Есть несколько длинных извилистых долин, ведущих из южного полярного региона, богатого эскерами, в бассейн Аргира, которые ранее были определены как древние речные русла, что согласуется с прогнозом его модели.

По словам Бюлера, покрытая льдом вода заполняет бассейн Аргир, который по объему равен Средиземному морю, в течение десятков тысяч лет, прежде чем он разливается и вытекает почти за 8 000 километров на северных равнинах. Этот процесс, вероятно, происходил несколько раз с интервалом в миллионы лет в течение стомиллионной эры.

"Это первая модель, в которой производится достаточное количество воды, чтобы покрыть Аргир, что согласуется с многолетними геологическими наблюдениями", - говорит Бюлер. "Также вероятно, что талая вода, попав вниз по течению, сублимировалась обратно в атмосферу, прежде чем вернуться на южную полярную шапку, увековечивая гидрологический цикл от полюса до экватора, который, возможно, сыграл важную роль в загадочном импульсе гидрологической активности на Марсе на поздней стадии. Более того, для его объяснения не требуется потепление на поздней стадии".

Далее Бюлер планирует будущие испытания своей модели. По его словам, если результаты подтвердятся, они кардинально изменят наше понимание древнего водного цикла Марса.

• Марс