Марсианские гейзеры (или CO
2джеты ) — предполагаемые места небольших газовых и пылевых извержений, происходящих в южной полярной области Марса во время весенней оттепели. «Темные пятна дюн» и «пауки» – или паукообразные [1] – два наиболее заметных типа особенностей, приписываемых этим извержениям.
Марсианские гейзеры отличаются от гейзеров на Земле, которые обычно связаны с гидротермальной активностью. Они не похожи ни на одно земное геологическое явление. Отражательная способность ( альбедо ), форма и необычный вид пауков этих особенностей стимулировали множество гипотез об их происхождении, начиная от различий в отражательной способности инея и заканчивая объяснениями, связанными с биологическими процессами. Однако все современные геофизические модели предполагают наличие на Марсе активности, напоминающей струи или гейзеры . [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Их характеристики и процесс их формирования до сих пор являются предметом дискуссий.
Эти особенности уникальны для южного полярного региона Марса, неофициально называемого «загадочным регионом», на широте от 60 ° до 80 ° южной широты и от 150 ° до 310 ° западной долготы; [11] [12] [13] Эта зона перехода льда из углекислого газа (CO 2 ) глубиной 1 метр – между уступами толстого слоя полярного льда и вечной мерзлотой – является местом расположения скоплений видимых гейзерных систем.
Сезонное замерзание и оттаивание углекислого льда приводит к появлению ряда особенностей, таких как темные пятна дюн с паукообразными бороздками или каналами подо льдом, [3] где между землей и поверхностью земли прорезаны паукообразные радиальные каналы. углекислый лед, придавая ему вид паутины, затем давление, накапливающееся внутри них, выбрасывает газ и темный базальтовый песок или пыль, которые оседают на поверхности льда и таким образом образуют темные пятна дюн. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Этот процесс быстрый, наблюдаемый в течение нескольких дней, недель или месяцев, скорость роста довольно необычна для геологии – особенно для Марс. [14] Однако, похоже, что потребуется несколько лет, чтобы вырезать более крупные паучьи каналы. [2] Прямых данных об этих особенностях нет, кроме изображений, сделанных в видимом и инфракрасном спектрах .
Геологические особенности, неофициально называемые темными пятнами дюн и пауками , были отдельно обнаружены на изображениях, полученных камерой MOC на борту Mars Global Surveyor в 1998–1999 годах. [15] [16] Сначала считалось, что это несвязанные между собой особенности из-за их внешнего вида, поэтому с 1998 по 2000 год о них сообщалось отдельно в различных исследовательских публикациях ( [16] [17] и [18] - соответственно). Модели «Джет» или «Гейзер» предлагались и совершенствовались с 2000 года. [4] [5]
Название «пауки» было придумано сотрудниками Malin Space Science Systems , разработчиками камеры. Одна из первых и самых интересных фотографий пауков была найдена Грегом Ормом в октябре 2000 года. [19] Необычная форма и внешний вид этих «паутинок» и пятен вызвали множество спекуляций об их происхождении. Наблюдения первых лет показали, что в последующие марсианские годы 70% пятен появляются точно в одном и том же месте, а предварительное статистическое исследование, полученное в период с сентября 1999 по март 2005 года, показало, что темные пятна дюн и пауки являются родственными явлениями как функции. цикла углекислого газа (CO 2 ), конденсирующегося в виде « сухого льда » и сублимирующегося. [20]
Первоначально также предполагалось, что темные пятна были просто теплыми участками голой земли, но тепловизионные исследования в 2006 году показали, что эти структуры были такими же холодными, как лед, покрывающий эту территорию, [9] [20] что указывает на то, что они представляли собой тонкий слой темный материал, лежащий на поверхности льда и охлаждаемый им. [9] Однако вскоре после их первого обнаружения было обнаружено, что они представляют собой отрицательные топографические особенности – то есть радиальные желоба или каналы того, что сегодня считается гейзероподобными жерловыми системами. [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Две наиболее заметные особенности гейзеров (темные пятна дюн и паучьи каналы) появляются в начале марсианской весны на дюнных полях, покрытых углекислым газом (CO 2 или «сухим льдом»), главным образом на гребнях и склонах дюн; к началу зимы они исчезают. Форма темных пятен обычно круглая, на склонах обычно вытянутая, иногда с струйками, возможно водными, которые скапливаются в лужах у подножия дюн. [21] [22] Темные пятна дюн обычно имеют ширину от 15 до 46 метров (от 50 до 150 футов) и расположены на расстоянии нескольких сотен футов друг от друга. [9] Размер пятен варьируется, некоторые из них имеют диаметр всего 20 м, [16] [23] — однако видимый меньший размер ограничен разрешением изображения — и могут расти и сливаться в образования шириной несколько километров.
Особенности паука, если рассматривать их по отдельности, образуют круглую лопастную структуру, напоминающую паутину, расходящуюся лепестками наружу от центральной точки. [24] Его радиальные узоры представляют собой неглубокие каналы или каналы во льду, образованные потоком сублимационного газа к жерлам. [3] [4] Вся сеть каналов-пауков обычно имеет диаметр 160–300 м, хотя существуют большие различия. [2]
Характерная форма каждого гейзера, по-видимому, зависит от комбинации таких факторов, как местный состав и давление жидкости или газа, толщина льда, тип подстилающего гравия, местный климат и метеорологические условия. [14] Граница гейзеров, похоже, не коррелирует с какими-либо другими свойствами поверхности, такими как высота, геологическая структура, уклон, химический состав или термические свойства. [6] Система, похожая на гейзер, образует пятна, веера и пятна с низким альбедо, с небольшой радиальной сетью паукообразных каналов, чаще всего связанной с их расположением. [2] [14] [20] Сначала пятна кажутся серыми, но позже их центры темнеют, потому что они постепенно покрываются темными выбросами, [18] предположительно состоящими в основном из базальтового песка. [17] Не все темные пятна, наблюдаемые ранней весной, связаны с паучьими формами рельефа, однако преобладание темных пятен и полос на загадочной местности связано с появлением пауков в конце сезона. [2]
Промежуточные снимки, сделанные НАСА, подтверждают очевидный выброс темного материала в результате радиального роста паутинных каналов во льду. [9] Промежуточная съемка одной интересующей области также показывает, что небольшие темные пятна обычно указывают на положение еще не видимых особенностей паука; это также показывает, что пятна значительно расширяются, включая темные веера, исходящие из некоторых пятен, которые увеличиваются в размерах и приобретают четкую направленность, указывающую на действие ветра. [2]
Некоторые ветвящиеся овраги изменяют, некоторые разрушают, а другие создают корку в ходе динамичного приповерхностного процесса, который значительно перерабатывает рельеф, создавая и разрушая поверхностные слои. Таким образом, на Марсе, по-видимому, происходит динамический процесс переработки приповерхностной коры углекислого газа. Процесс роста быстрый, занимает несколько дней, недель или месяцев, скорость роста довольно необычна для геологии, особенно для Марса. [14] Для объяснения различных цветов и форм этих гейзеров на южной полярной ледяной шапке Марса был исследован ряд геофизических моделей.
По оценкам, сила извержений варьируется от простых всплесков до извержений высокого давления со скоростью 160 километров в час (99 миль в час) и более, [4] [25] несущих высоко ввысь шлейфы темного базальтового песка и пыли. [9] Далее обсуждаются предлагаемые в настоящее время модели, касающиеся возможных сил, приводящих в действие гейзероподобную систему.
Приземное атмосферное давление на Марсе ежегодно колеблется в пределах: 6,7–8,8 мбар и 7,5–9,7 мбар; ежедневно около 6,4–6,8 мбар. Из-за изменений давления подземные газы периодически расширяются и сжимаются, вызывая нисходящий поток газа при повышении и вытеснение при понижении атмосферного давления. [7] Впервые этот цикл был определен количественно с помощью измерений поверхностного давления, которое ежегодно меняется с амплитудой 25%. [2]
Эта модель предполагает нисходящий поток газа при повышении и восходящий поток при понижении атмосферного давления. В процессе оттаивания льды (клатраты) могут частично мигрировать в почву, а частично испаряться. [7] [14] Эти места могут быть связаны с образованием темных пятен на дюнах и рукавов пауков, которые служат путями перемещения газа. [7]
Некоторые команды предлагают сухую вентиляцию углекислого газа (CO 2 ) и песка, происходящую между льдом и подстилающей породой. Известно, что плита льда из CO 2 практически прозрачна для солнечной радиации, при этом 72% солнечной энергии, падающей под углом 60 градусов от вертикали, достигают дна слоя толщиной 1 м. [4] [27] Кроме того, отдельные группы из Тайваня и Франции измерили толщину льда в нескольких целевых областях и обнаружили, что наибольшая толщина слоя инея CO 2 в районе гейзеров составляет около 0,76–0,78 м, что поддерживает геофизическая модель сухой вентиляции, работающей от солнечного света. [8] [28] [29] Поскольку южный весенний лед CO 2 получает достаточно солнечной энергии, начинается сублимация льда CO 2 снизу. [2] Этот пар накапливается под плитой, быстро увеличивая давление и извергаясь. [6] [9] [14] [30] [31] Газ под высоким давлением протекает со скоростью 160 километров в час (99 миль в час) или более; [4] [25] Под плитой газ разъедает землю, устремляясь к вентиляционным отверстиям, подхватывая рыхлые частицы песка и образуя паутинную сеть канавок. [8] Темный материал выпадает обратно на поверхность и может быть поднят ветром вверх по склону, создавая темные полосы ветра на ледяной шапке. [20] [25] Эта модель согласуется с прошлыми наблюдениями. [25] [32] Местоположение, размер и направление этих вентиляторов полезны для количественной оценки сезонных ветров и сублимационной активности. [26]
Понятно, что сублимация основания сезонной ледяной шапки более чем способна создать существенное избыточное давление, [2] которое на четыре порядка превышает давление покрывающего льда и на пять порядков выше атмосферного давления, как обсуждалось выше. . [2]
Наблюдение, что несколько темных пятен образуются перед восходом солнца, причем значительное образование пятен происходит сразу после восхода солнца, подтверждает представление о том, что система питается от солнечной энергии. [33] В конце концов лед полностью удаляется, и темный зернистый материал снова оказывается на поверхности; [33] цикл повторяется много раз. [20] [34] [35]
Лабораторные эксперименты, проведенные в 2016 году, смогли вызвать выбросы пыли из слоя пыли внутри CO .
2ледяная плита в марсианских атмосферных условиях, поддерживающая CO
2Модель реактивного и вентиляторного производства. [26]
Данные, полученные спутником Mars Express , позволили в 2004 году подтвердить, что южная полярная шапка имеет в среднем 3-километровую (1,9 мили) плиту льда CO 2 [ 36] с различным содержанием замерзшей воды, в зависимости от ее широты. : сама яркая полярная шапка представляет собой смесь 85% льда CO 2 и 15% водяного льда. [37] Вторая часть включает в себя крутые склоны, известные как «отступы», почти полностью состоящие из водяного льда, которые отпадают от полярной шапки на окружающие равнины. [37] Эта переходная зона между уступами и вечной мерзлотой является «загадочной областью», где расположены скопления гейзеров.
Эта модель исследует возможность активных эрозионных структур, приводимых в действие водой, где почва и вода, полученные из неглубокого подповерхностного слоя, выбрасываются вверх газом CO 2 через трещины, разрушающие суставы, образуя паукообразные расходящиеся притоки, покрытые илистым материалом и /или лед. [14] [38] [39] [40]
Европейская группа предполагает, что эти особенности могут быть признаком того, что за струи ответственен несолнечный источник энергии, например, подземная тепловая волна. [14] [41] Эту модель трудно согласовать с данными, собранными в виде теплового (инфракрасного) изображения, которые показывают, что веера, пятна и пятна образуются в результате выброса холодных жидкостей или холодных газов. [31] [42]
Майкл К. Малин , планетолог и разработчик камер, используемых Mars Global Surveyor, который получил самые ранние изображения явления гейзера CO 2 , изучает изображения, полученные из определенных областей, и отслеживает их изменения в течение нескольких периодов. годы. В 2000 году он смоделировал динамику вееров и пятен как сложный процесс сублимации и повторного осаждения углекислого газа (CO 2 ), воды. Типичная картина оттаивания начинается с появления маленьких темных пятен, обычно расположенных по краям дюн; эти пятна по отдельности увеличиваются и в конечном итоге сливаются. [34] Картина увеличения отчетлива и характерна: темное ядерное пятно увеличивается медленно, часто с яркой внешней зоной или «ореолом». Поскольку это прогрессивные, центростремительные явления, каждое место светлой зоны сменяется расширяющейся темной зоной. Хотя изначально они развивались вдоль границ дюн, образование пятен быстро распространяется на дюны и между ними. С наступлением весны из центрального пятна развиваются веерообразные хвосты («пауки»). Размораживание происходит, когда полярный песок с низким альбедо нагревается под оптически тонким слоем инея, в результате чего иней испаряется. Это темное ядро пятен, наблюдаемых на дюнах. Когда пар движется вбок, он сталкивается с холодным воздухом и выпадает в осадок, образуя яркий ореол. Этот осажденный иней снова испаряется по мере расширения открытой зоны песка; цикл повторяется много раз. [20] [34] [35]
Хотя Европейское космическое агентство (ЕКА) еще не сформулировало теорию или модель, оно заявило, что процесс сублимации инея несовместим с некоторыми важными особенностями, наблюдаемыми на изображениях, и что расположение и форма пятен находятся на расстоянии. противоречит физическому объяснению, в частности потому, что каналы, кажется, излучают как вниз, так и вверх, игнорируя гравитацию. [43]
Группа венгерских ученых предполагает, что темные пятна и каналы дюн могут быть колониями фотосинтезирующих марсианских микроорганизмов, которые зимуют под ледяной шапкой, а когда солнечный свет возвращается к полюсу ранней весной, свет проникает сквозь лед, микроорганизмы фотосинтезируют. и нагревать свое ближайшее окружение. Карман с жидкой водой, которая обычно мгновенно испаряется в тонкой марсианской атмосфере, удерживается вокруг них покрывающим льдом. По мере того как слой льда истончается, микроорганизмы проявляются серым цветом. Когда он полностью растает, они быстро высыхают и чернеют, окруженные серым ореолом. [22] [44] [45] [46] Венгерские ученые считают, что даже сложный процесс сублимации недостаточен для объяснения образования и эволюции темных пятен дюн в пространстве и времени. [23] [47] С момента их открытия писатель-фантаст Артур Кларк продвигал эти образования как заслуживающие изучения с астробиологической точки зрения. [19]
Многонациональная европейская группа предполагает, что если жидкая вода присутствует в каналах пауков во время их ежегодного цикла оттаивания, структуры могут стать нишей, где определенные микроскопические формы жизни могли бы отступить и адаптироваться, будучи защищенными от ультрафиолетового солнечного излучения. [3] Британские и немецкие команды также рассматривают возможность того, что органические вещества , микробы или даже простые растения могут сосуществовать с этими неорганическими образованиями, особенно если механизм включает жидкую воду и источник геотермальной энергии. [14] [48] Однако они также отмечают, что большинство геологических структур можно объяснить, не прибегая к гипотезе органической «жизни на Марсе». [14] (См. также: Жизнь на Марсе .)
Прямых данных об этих особенностях нет, кроме изображений, полученных в видимом и инфракрасном спектрах, и рассматривается возможность разработки посадочного модуля Mars Geyser Hopper для изучения гейзероподобных систем. [49] [50] Это еще не было официально предложено и не профинансировано.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )