Планета Марс имеет две постоянные полярные ледяные шапки . Зимой полюс лежит в постоянной темноте, охлаждая поверхность и вызывая отложение 25–30% атмосферы в виде плит льда CO 2 ( сухой лед ). Когда полюса снова подвергаются воздействию солнечного света, замороженный CO 2 сублимируется . [1] Эти сезонные явления переносят большое количество пыли и водяного пара, вызывая образование земного инея и больших перистых облаков .
Шапки на обоих полюсах состоят в основном из водяного льда . Замороженный углекислый газ накапливается в виде сравнительно тонкого слоя толщиной около одного метра на северной шапке в северную зиму, тогда как южная шапка имеет постоянный покров сухого льда толщиной около 8 м. [2] Северная полярная шапка имеет диаметр около 1000 км во время северного марсианского лета, [3] и содержит около 1,6 миллиона кубических километров льда, который, если равномерно распределить его по шапке, будет иметь толщину 2 км. [4] (Для сравнения: объём ледникового щита Гренландии составляет 2,85 миллиона кубических километров (км 3 ) .) Южная полярная шапка имеет диаметр 350 км и толщину 3 км. [5] Общий объем льда в южной полярной шапке плюс прилегающие слоистые отложения также оценивается в 1,6 миллиона кубических километров. [6] На обеих полярных шапках наблюдаются спиральные впадины, которые, как показал недавний анализ проникающего сквозь лед радара SHARAD , являются результатом примерно перпендикулярных стоковых ветров , которые вращаются по спирали из-за эффекта Кориолиса . [7] [8]
Сезонное обледенение некоторых участков вблизи южной ледяной шапки приводит к образованию над землей прозрачных плит сухого льда толщиной 1 м. С приходом весны солнечный свет нагревает недра, и давление сублимирующего CO 2 накапливается под плитой, поднимая ее и в конечном итоге разрывая. Это приводит к гейзероподобным извержениям газа CO2 , смешанного с темным базальтовым песком или пылью. Этот процесс быстрый, наблюдаемый в течение нескольких дней, недель или месяцев, скорость изменений довольно необычна для геологии, особенно для Марса. Газ, устремляющийся под плитой к месту гейзера, прорезает подо льдом паукообразный узор из радиальных каналов. [9] [10] [11] [12]
В 2018 году итальянские ученые сообщили об открытии подледного озера на Марсе, в 1,5 км (0,93 мили) ниже поверхности слоистых отложений южного полюса (не под видимой постоянной ледяной шапкой) и шириной около 20 км (12 миль). первый известный устойчивый водоем на планете. [13] [14]
Исследования, основанные на небольших изменениях орбит космических кораблей вокруг Марса за 16 лет, показали, что каждую зиму примерно от 3 до 4 триллионов тонн углекислого газа вымерзает из атмосферы на полярную шапку зимнего полушария. Это составляет от 12 до 16 процентов массы всей марсианской атмосферы . Эти наблюдения подтверждают прогнозы Глобальной эталонной модели атмосферы Марса 2010 года. [15] [16]
Обе полярные шапки имеют слоистые структуры, называемые полярно-слоистыми отложениями, которые возникают в результате сезонной абляции и накопления льда вместе с пылью от марсианских пылевых бурь. Информация о прошлом климате Марса может в конечном итоге быть обнаружена в этих слоях, так же, как на Земле это делают узоры годичных колец и данные ледяных кернов. Обе полярные шапки также имеют бороздчатые черты, вероятно, вызванные характером ветровых потоков. На канавки также влияет количество пыли. [17] Чем больше пыли, тем темнее поверхность. Чем темнее поверхность, тем сильнее тает. Темные поверхности поглощают больше световой энергии. Существуют и другие теории, пытающиеся объяснить появление больших борозд. [18] : 155
Китайский марсоход «Журонг», изучавший регион Утопия-Планития на Марсе, обнаружил дюны, лежащие в разных направлениях. Яркие барханы и темные продольные дюны свидетельствуют о том, что преобладающее поле ветра претерпело изменение примерно на 70°. Исследователи полагают, что дюны образовались, когда наклон изменился и вызвал изменение ветра. Примерно в это же время происходят изменения слоев северных ледяных шапок Марса. [19]
Основная часть северной ледяной шапки состоит из водяного льда ; он также имеет тонкий сезонный слой сухого льда и твердого углекислого газа . Каждую зиму ледяная шапка увеличивается за счет добавления от 1,5 до 2 м сухого льда. Летом сухой лед сублимируется (переходит непосредственно из твердого состояния в газообразное) в атмосферу. На Марсе времена года аналогичны земным, поскольку его ось вращения имеет наклон, близкий к наклону нашей Земли (25,19° для Марса, 23,44° для Земли).
В течение каждого года на Марсе около трети тонкой атмосферы углекислого газа (CO 2 ) «вымерзает» зимой в северном и южном полушариях. Ученые даже измерили крошечные изменения в гравитационном поле Марса из-за движения углекислого газа. [20]
Ледяная шапка на севере имеет меньшую высоту (основание -5000 м, вершина -2000 м), чем ледяная шапка на юге (основание 1000 м, вершина 3500 м). [21] [22] Здесь также теплее, поэтому каждое лето весь замороженный углекислый газ исчезает. [23] Часть шапки, пережившая лето, называется северной остаточной шапкой и состоит из водяного льда. Считается, что толщина этого водяного льда достигает трех километров. Гораздо более тонкая сезонная шапка начинает формироваться в конце лета - начале осени, когда образуются разнообразные облака. Из облаков, называемых полярным капюшоном, выпадают осадки, которые утолщают шапку. Северная полярная шапка симметрична вокруг полюса и покрывает поверхность примерно до 60 градусов широты. Изображения с высоким разрешением, полученные с помощью Mars Global Surveyor НАСА, показывают, что северная полярная шапка покрыта в основном ямами, трещинами, небольшими выступами и выступами, которые придают ей вид творога. Ямы расположены близко друг к другу относительно самых разных впадин южной полярной шапки.
Обе полярные шапки имеют слоистые структуры, возникающие в результате сезонного таяния и отложения льда вместе с пылью от марсианских пылевых бурь. Эти полярные слоистые отложения лежат под постоянными полярными шапками. Информация о прошлом климате Марса может в конечном итоге быть обнаружена в этих слоях, так же, как на Земле это делают узоры годичных колец и данные ледяных кернов. Обе полярные шапки также имеют бороздчатые черты, вероятно, вызванные характером ветровых потоков и углом наклона солнца, хотя существует несколько выдвинутых теорий. На канавки также влияет количество пыли. [17] Чем больше пыли, тем темнее поверхность. Чем темнее поверхность, тем сильнее тает. Темные поверхности поглощают больше световой энергии. Одна большая долина, Chasma Boreale, проходит посередине мыса. Его ширина составляет около 100 км, а глубина — до 2 км — это глубже, чем Гранд-Каньон Земли . [24]
Когда наклон или наклон меняется, размер полярных шапок меняется. Когда наклон достигает максимального значения, полюса получают гораздо больше солнечного света и в течение большего количества часов каждый день. Дополнительный солнечный свет заставляет лед таять настолько, что он может покрыть часть поверхности 10-метровым льдом. Было обнаружено много свидетельств того, что ледники, вероятно, образовались, когда произошло это изменение климата, вызванное наклоном. [25]
Исследования, опубликованные в 2009 году, показывают, что богатые льдом слои ледяной шапки соответствуют моделям колебаний марсианского климата. Радарный прибор Марсианского разведывательного орбитального аппарата НАСА может измерять контраст электрических свойств между слоями. Характер отражательной способности показывает характер изменений материала внутри слоев. Радар позволил получить поперечное сечение слоистых отложений Марса на северном полюсе. Зоны с высокой отражательной способностью с множеством контрастных слоев чередуются с зонами с более низкой отражательной способностью. Закономерности чередования этих двух типов зон можно соотнести с моделями изменения наклона Марса. Поскольку верхняя зона слоистых отложений северного полюса — самая последняя отложенная часть — сильно отражает радиолокационные лучи, исследователи предполагают, что такие участки высококонтрастных наслоений соответствуют периодам относительно небольших колебаний наклона планеты, поскольку марсианская ось в последнее время не сильно менялся. Более пыльные слои, по-видимому, откладываются в периоды, когда атмосфера более пыльная. [26] [27] [28]
Исследование, опубликованное в январе 2010 года с использованием изображений HiRISE , показывает, что понимание слоев сложнее, чем считалось ранее. Яркость слоев зависит не только от количества пыли. Угол Солнца вместе с углом космического корабля сильно влияют на яркость, видимую камерой. Этот угол зависит от таких факторов, как форма стенки желоба и ее ориентация. Кроме того, шероховатость поверхности может сильно изменить альбедо (количество отраженного света). Кроме того, часто мы видим не настоящий слой, а свежий покров инея. На все эти факторы влияет ветер, который может разрушать поверхности. Камера HiRISE не выявила слоев, которые были бы тоньше тех, которые видел Mars Global Surveyor. Тем не менее, он увидел больше деталей внутри слоев. [29]
Радиолокационные измерения северной полярной ледяной шапки показали, что объем водяного льда в слоистых отложениях шапки составил 821 000 кубических километров (197 000 кубических миль), что соответствует 30% ледникового щита Гренландии на Земле. (Слоистые отложения перекрывают дополнительные базальные отложения льда.) Радар находится на борту марсианского разведывательного орбитального аппарата . [26]
Данные радара SHARAD, объединенные в трехмерную модель, показывают погребенные кратеры. Их можно использовать для датировки определенных слоев. [28]
В феврале 2017 года ЕКА опубликовало новый вид Северного полюса Марса. Это была мозаика, составленная из 32 отдельных орбит «Марсианского экспресса» . [30] [31]
В статье, опубликованной в журнале Nature в 2023 году, исследователи обнаружили резкое увеличение яркости слоев северной ледяной шапки, которое произошло примерно 0,4 миллиона лет назад. Это изменение могло вызвать изменения в направлении ветра, которые наблюдаются в регионах, исследованных марсоходом Журоуг. [32]
Постоянная шапка южного полюса намного меньше северной. Его диаметр составляет 400 км по сравнению с диаметром северной шапки 1100 км. [18] : 154 Каждую южную зиму ледяная шапка покрывает поверхность до 50° широты. [33] Часть ледяной шапки состоит из сухого льда , твёрдого углекислого газа . Каждую зиму ледяная шапка увеличивается за счет добавления от 1,5 до 2 метров сухого льда из осадков из полярного купола облаков. Летом сухой лед сублимируется (переходит непосредственно из твердого состояния в газообразное) в атмосферу. В течение каждого года на Марсе около трети тонкой атмосферы углекислого газа (CO 2 ) «вымерзает» зимой в северном и южном полушариях. Ученые даже измерили крошечные изменения в гравитационном поле Марса из-за движения углекислого газа. Другими словами, зимнее наращивание льда меняет гравитацию планеты. [20] На Марсе времена года аналогичны земным, поскольку его ось вращения имеет наклон, близкий к наклону нашей собственной Земли (25,19° для Марса, 23,45° для Земли). Южная полярная шапка выше по высоте и холоднее, чем северная. [23]
Остаточная южная ледяная шапка смещена; то есть он не сосредоточен на южном полюсе. Однако южная сезонная граница находится вблизи географического полюса. [18] : 154 Исследования показали, что смещение колпака от центра вызвано тем, что с одной стороны выпадает гораздо больше снега, чем с другой. На западной стороне южного полушария формируется система низкого давления, поскольку ветры сменяются бассейном Эллады . Эта система производит больше снега. С другой стороны, меньше снега и больше мороза. Летом снег имеет тенденцию отражать больше солнечного света, поэтому он не тает и не сублимируется (климат Марса заставляет снег сразу переходить из твердого состояния в газообразное). С другой стороны, иней имеет более шероховатую поверхность и имеет тенденцию улавливать больше солнечного света, что приводит к большей сублимации. Другими словами, районы с более суровыми морозами теплее. [34]
Исследование, опубликованное в апреле 2011 года, описало большое отложение замороженного углекислого газа вблизи южного полюса. Большая часть этих отложений, вероятно, попадает в атмосферу Марса, когда наклон планеты увеличивается. Когда это происходит, атмосфера сгущается, ветры становятся сильнее, и большие площади на поверхности могут поддерживать жидкую воду. [35] Анализ данных показал, что если бы все эти отложения превратились в газ, атмосферное давление на Марсе удвоилось бы. [36] Есть три слоя этих отложений; каждый покрыт 30-метровым слоем водяного льда, который предотвращает сублимацию CO 2 в атмосферу. При сублимации твердый материал переходит непосредственно в газовую фазу. Эти три слоя связаны с периодами, когда атмосфера разрушалась при изменении климата. [37]
Вокруг южного полюса существует большое поле озов , называемое формацией Дорса Арджентеа . Считается, что это остатки гигантского ледникового щита. [38] Считается, что этот большой полярный ледяной щит покрыл около 1,5 миллиона квадратных километров. Эта площадь в два раза превышает площадь штата Техас . [39] [ циклическая ссылка ] [40]
В июле 2018 года ЕКА обнаружило следы жидкой соленой воды, скрытой под слоями льда и пыли, анализируя отражение радиолокационных импульсов, генерируемых Mars Express . [14]
В то время как северная полярная шапка Марса имеет плоскую поверхность с ямками, напоминающую творог, южная полярная шапка имеет более крупные ямки, впадины и плоские горы , которые придают ей вид швейцарского сыра. [41] [42] [43] [44] Верхний слой остаточной шапки южного полюса Марса подвергся эрозии и превратился в плоские горы с круглыми впадинами. [45] Наблюдения, сделанные камерой Mars Orbiter Camera в 2001 году, показали, что уступы и стенки ям южной полярной шапки с 1999 года отступали в среднем на 3 метра (9,8 фута). Другими словами, они отступали на 3 метра. за марсианский год. В некоторых местах шапки уступы отступают менее чем на 3 метра за марсианский год, а в других — на 8 метров (26 футов) за марсианский год. Со временем южные полярные ямы сливаются, образуя равнины, горы превращаются в холмы , а холмы исчезают навсегда. Формированию круглой формы, вероятно, способствовал угол наклона солнца. Летом солнце движется по небу, иногда 24 часа в сутки, прямо над горизонтом. В результате стены круглой впадины будут получать более интенсивный солнечный свет, чем пол; стена расплавится гораздо сильнее, чем пол. Стены тают и отступают, а пол остается прежним. [46] [47]
Более поздние исследования с помощью мощного HiRISE показали, что ямы находятся в слое сухого льда толщиной 1–10 метров, который находится на гораздо большей шапке водяного льда. Ямки начинались с небольших участков вдоль слабых трещин. Круглые ямы имеют крутые стены, которые фокусируют солнечный свет, тем самым усиливая эрозию. Для ямы необходима отвесная стенка высотой около 10 см и длиной более 5 метров. [48]
На фотографиях ниже показано, почему говорят, что поверхность напоминает швейцарский сыр; можно также наблюдать различия за двухлетний период.
Каналы звездообразования представляют собой структуру каналов, которые расходятся в виде перистых расширений. Их причиной является газ, который выходит вместе с пылью. Газ накапливается подо полупрозрачным льдом по мере повышения температуры весной. [49] Пауки, обычно имеющие ширину 500 метров и глубину 1 метр, могут претерпеть заметные изменения всего за несколько дней. [50] Одна из моделей, объясняющая формирование пауков, гласит, что солнечный свет нагревает пылинки во льду. Теплые пылинки оседают, плавясь сквозь лед, а дыры за ними отжигаются. В результате лед становится достаточно прозрачным. Затем солнечный свет достигает темного дна ледяной плиты и превращает твердый лед из углекислого газа в газ, который течет к более высоким областям, открывающимся на поверхность. Газ вырывается наружу, унося с собой темную пыль. Ветры на поверхности сдуют выходящие газ и пыль в темные веера, которые мы наблюдаем с помощью орбитальных космических кораблей. [25] [51] Физика этой модели аналогична идеям, выдвинутым для объяснения темных шлейфов, извергающихся с поверхности Тритона . [52]
Исследование, опубликованное в январе 2010 года с использованием изображений HiRISE, показало, что некоторые каналы у пауков увеличиваются по мере подъема в гору, поскольку газ вызывает эрозию. Исследователи также обнаружили, что газ течет к трещине, образовавшейся в слабом месте льда. Как только солнце поднимается над горизонтом, газы пауков выдувают пыль, которая разносится ветром и образует темный веер. Часть пыли попадает в каналы. В конце концов мороз покрывает все вентиляторы и каналы до следующей весны, когда цикл повторяется. [33] [53]
Chasma Australe, крупная долина, пересекает слоистые отложения южной полярной шапки. На стороне 90° восточной долготы залежи находятся в большом бассейне под названием Прометей. [54]
В некоторых слоях южного полюса также наблюдается полигональная трещиноватость в виде прямоугольников. Считается, что трещины были вызваны расширением и сжатием водяного льда под поверхностью. [55]
Дейтерий — более тяжелый изотоп водорода по сравнению с наиболее распространенным изотопом этого элемента — протием . Это делает дейтерий любого небесного тела статистически гораздо менее склонным к переносу в космос звездным ветром по сравнению с его протием. Доказательства того, что на Марсе когда-то было достаточно воды, чтобы создать глобальный океан глубиной не менее 137 м, были получены путем измерения соотношения HDO и H 2 O над северной полярной шапкой. В марте 2015 года группа ученых опубликовала результаты, показывающие, что лед полярной шапки примерно в восемь раз богаче дейтерием, чем вода в океанах Земли. Это означает, что Марс потерял объем воды в 6,5 раз больший, чем тот, который хранится в сегодняшних полярных шапках. Вода какое-то время могла образовывать океан в низменности Vastitas Borealis и прилегающих низменностях ( Acidalia , Arcadia и Utopia planitiae). Если бы вода когда-либо была жидкой и находилась на поверхности, она бы покрыла 20% территории планеты, а местами ее глубина была бы почти на милю.
Эта международная группа использовала Очень Большой Телескоп ESO , а также инструменты Обсерватории Кека и Инфракрасного телескопа НАСА , чтобы нанести на карту различные изотопные формы воды в атмосфере Марса в течение шестилетнего периода. [56] [57]
