Сети долин — это разветвленные сети долин на Марсе , которые внешне напоминают земные речные дренажные бассейны . [1] Они в основном врезаны в рельеф марсианских южных нагорий и, как правило, хотя и не всегда, имеют нойский возраст (приблизительно четыре миллиарда лет). Отдельные долины обычно имеют ширину менее 5 километров, хотя они могут простираться на сотни или даже тысячи километров по марсианской поверхности.
Форма, распределение и подразумеваемая эволюция сетей долин имеют большое значение для того, что они могут рассказать нам об истории жидкой воды на поверхности Марса , и, следовательно, об истории климата Марса . Некоторые авторы утверждают, что свойства сетей требуют, чтобы гидрологический цикл был активен на древнем Марсе, [2] хотя это остается спорным. [3] Возражения в основном возникают из-за повторяющихся результатов моделей палеоклимата Марса, предполагающих, что достаточно высокие температуры и давления для поддержания жидкой воды на поверхности никогда не были возможны на Марсе. [4]
Появление изображений поверхности с очень высоким разрешением, полученных с помощью спутниковых камер HiRISE , THEMIS и Context (CTX), а также цифровых моделей рельефа Марсианского орбитального лазерного высотомера (MOLA), значительно улучшило наше понимание сетей за последнее десятилетие.
Долины сетей обычно узкие (<0,5–4 км) и глубиной 50–200 м, причем ни одно из значений не меняется последовательно по их длине. Их форма поперечного сечения имеет тенденцию меняться от V-образной в верховьях до U-образной в нижнем течении. Отдельные долины образуют взаимосвязанные разветвленные сети, обычно длиной менее 200 км и стекающие в местные топографические понижения. [1] Форму притоковых долин обычно описывают как «короткую» или похожий термин, подразумевающий короткие расстояния вдали от основных потоков и амфитеатроподобные окончания в их верховьях. [1] [5] Многие авторы описывают плотность дренажа сетей как обычно намного ниже, чем можно было бы увидеть на Земле, [6] [7] [8] хотя в литературе также поднимается вопрос о том, в какой степени это может быть артефактом разрешения изображения, ухудшения ландшафта или предвзятости наблюдателя. [1] [2]
Однако более поздние изображения также подчеркнули, что термин «сеть долин» включает в себя большое разнообразие различных форм долин в различных масштабах в различных геологических условиях Марса. [2] Любая разветвленная система долин в масштабе, меньшем, чем канал оттока , может быть названа сетью долин, вероятно, включающей в себя большое разнообразие геоморфологических процессов формирования. Некоторые сети долин простираются на более чем 2000 км через марсианский ландшафт. Некоторые могут менять ширину вниз по течению. Некоторые имеют плотность дренажа, которая соответствует некоторым земным значениям. [9] Более узкие, менее глубокие сети долин присутствуют, но, вероятно, встречаются реже, чем их более крупные эквиваленты. [1]
В большинстве сетей долин более поздние эоловые процессы отложили на дне долин нанесённые ветром отложения, скрывая природу канала, который, должно быть, их прорезал. На Земле долина — это впадина с плоским дном, по которому мигрирует канал, несущий сток воды. Однако из-за более поздних отложений на Марсе почти во всех случаях неясно, содержат ли днища долин отдельные структуры каналов или они полностью затоплены в результате потоков. Долина Нанеди — редкий пример, где был идентифицирован канал, [3] хотя новые изображения с более высоким разрешением снова продолжают обнаруживать больше таких структур со временем. [10] Это объясняет предпочтение в литературе термина «сеть долин», а не «сеть каналов», хотя некоторые работы имеют тенденцию путать эти два понятия при интерпретации этих структур. [2]
Сети долин очень сильно сконцентрированы в кратерированных южных возвышенностях Марса. Лавовые равнины гесперийского возраста северного полушария в целом почти полностью нерасчленены. Однако существует значительное количество исключений из этого обобщения - в частности, многие из гесперийских и более молодых вулканов несут сети, а также несколько других областей. [1] Эти долины также кажутся качественно «более свежими» и менее деградированными, чем те, что находятся в высокогорьях (например, долина Нанеди).
Однако в более мелких масштабах, чем этот, распределение долин, где они присутствуют, является весьма неоднородным и прерывистым. В пределах высокогорий нередко можно обнаружить сильно расчлененные склоны, непосредственно примыкающие к почти полностью неизмененным поверхностям, как в масштабах долин, так и водосборов. Долины также регионально сгруппированы, с небольшой расчлененностью на северо-западе Аравии и юго-западе и юго-востоке Эллады , но много в Терра Киммерия и чуть южнее экватора от 20° в. д. до 180° в. д. Они также гораздо более заметны на более крутых склонах, [2] например, на краях кратеров, но опять же могут присутствовать только на одной стороне такого края. [1]
К сожалению, в целом небольшой размер отдельных водосборов и относительная узость составляющих их долин означает, что датирование сетей долин с помощью обычных методов подсчета кратеров чрезвычайно сложно (хотя и не невозможно [11] ). Концентрация долин в южных нагорьях Нойского периода и их разреженность на северных гесперийских равнинах, в сочетании с независимыми оценками многопорядкового уменьшения глобальных марсианских скоростей эрозии в конце Нойского периода [12] , вероятно, указывает на то, что большинство сетей были прорезаны в течение этого раннего интервала. [1] Однако каналы на гесперийских поверхностях однозначно демонстрируют, что процессы формирования долин продолжались, по крайней мере, в некоторых местах, по крайней мере, некоторое время после Нойского периода. Некоторые данные подсчета кратеров даже предполагают, что некоторые сети высокогорий могли сформироваться в Амазонке . [ 11]
Механизмы и предполагаемые среды для формирования долин остаются спорными. Такие разнообразные процессы, как оледенение, истощение масс, разломы и эрозия под воздействием CO 2 , ветра и лавы, были задействованы в какой-то момент в формировании некоторых сетей и могут играть важную роль локально в некоторых регионах Марса. Однако большинство авторов сходятся во мнении, что жидкая вода должна была играть роль в формировании основной массы долин, в основном на основе как известного широкого распространения льда на Марсе, так и физических свойств жидкой воды (например, вязкости ), которые почти однозначно позволяют ей течь на тысячи километров вниз по склону в виде потоков. [1] Особенности русла на том, что интерпретируется как эродированные дельты у подножия некоторых сетей (например, в кратере Эберсвальде ), также однозначно связаны с образованием текущей водой - например, извилистые, извилистые русла с меандровыми срезами , которые имеют внутренне согласованную гидравлическую геометрию, очень близко соответствующую тому, что можно было бы ожидать от речных русел на Земле. [13] Независимые линии доказательств также предполагают существование жидкой воды на поверхности или очень близко к ней в различные периоды истории Марса, например, эвапориты на плато Меридиана и повсеместное водное изменение пород в Колумбийских холмах , оба исследования которых проводились марсоходами Mars Exploration Rovers .
Помимо этого, существует несколько различных сценариев, которые были выдвинуты для объяснения формы и распределения долин как в пространстве, так и во времени. Каждый из них имеет свой собственный набор последствий относительно палеоклимата Марса во время формирования сетей. Некоторые из них суммированы ниже. Также стоит подчеркнуть, что, как и на Земле, различные механизмы формирования, вероятно, будут действовать в разное время и в разных местах на поверхности Марса.
В августе 2020 года ученые сообщили, что сети долин в южных высокогорьях Марса могли быть сформированы в основном под ледниками, а не свободно текущими реками, что указывает на то, что ранний Марс был холоднее , чем считалось, и что в прошлом на нем, вероятно, имело место обширное оледенение. [14] [15] [16]
Этот сценарий пытается описать формирование сетей долин без обращения к условиям или процессам, отличным от тех, которые уже известны как существующие на Марсе сегодня. Моделирование показывает, что просачивание грунтовых вод может происходить на поверхности даже в современных условиях, но они очень быстро замерзнут. Однако, согласно этому предположению, ледяной покров может достаточно хорошо изолировать воду, текущую под ним, чтобы обеспечить транспортировку на большие расстояния (и связанную с этим эрозию), подобно тому, как лавовая трубка изолирует расплавленную лаву внутри себя. [17]
Долины обычно имеют много особенностей, которые на Земле обычно (хотя и не исключительно [18] ) связаны с истощением грунтовых вод - например, амфитеатроподобные оголовки, постоянная ширина долины вниз по течению, плоские или U-образные полы и крутые стены. [19] Однако без какого-либо механизма пополнения для предполагаемых водоносных горизонтов, производящих это просачивание, т. е. гидрологического цикла какого-либо рода, крайне маловероятно, что достаточно воды могло просочиться, чтобы прорезать все долины, образованные в Нойский период. Несмотря на это, эта базовая модель может оставаться полезной для понимания более ограниченных долин, образованных позже в Гесперианском и Амазонском периодах. [1]
Эти модели расширяют модель холодного, сухого Марса, представляя механизмы, посредством которых подземные водоносные слои, обеспечивающие грунтовые воды, могли пополняться в ранней истории Марса. Таким образом, они требуют устойчивого водного цикла определенного рода в долгосрочной перспективе в Нойский период, но явно не требуют, чтобы эта вода была жидкой или выпадала в виде осадков . Это означает, что Марс не должен был быть теплым (т. е. выше точки замерзания) в своей ранней истории, в соответствии с текущими климатическими моделями. [4]
Было высказано предположение [20] , что водоносные горизонты могут пополняться в геологических масштабах времени путем последовательности сублимации замороженных просачиваний, атмосферной циркуляции пара к южной полярной ледяной шапке, повторного отложения этого на шапке, базального таяния под ледяной массой и циркуляции грунтовых вод в глобальном масштабе. Этот механизм привлекателен, поскольку он требует мало предположений о радикально отличающемся прошлом климате и хорошо согласуется с независимыми теориями о происхождении марсианских каналов оттока в хаотичных ландшафтах как крупных прорывах водоносных горизонтов. Однако гидростатический напор, обеспечиваемый этим механизмом, не мог питать многочисленные каналы на высотах, превышающих основание южной полярной шапки. [21]
Связанная модель предполагает, что локально генерируемое тепло может вызывать локальное просачивание и пополнение грунтовых вод либо за счет интрузивного вулканизма [22], либо за счет ударного нагрева. [23] [24] Однако эта версия с трудом объясняет более длинные и крупные сети долин — если вода течет на сотни или тысячи километров от источника тепла, земля снова замерзнет, и пополнение снова станет невозможным. [1]
Многие из сетей долин Нойского периода имеют черты, явно указывающие на происхождение от распределенных осадков: разветвленные сети, долины, начинающиеся с узких гребней, V-образные поперечные профили, диффузионное поведение склонов холмов. И наоборот, используя только геоморфологические свидетельства, очень сложно выстроить веские аргументы против происхождения от осадков. [2] Осадки также обеспечивают простой механизм пополнения для подземных водоносных горизонтов, которые, несомненно, существуют и важны в некоторых случаях (как на Земле). Эти осадки могли выпадать в виде дождя или снега (с последующим таянием на земле), но для любого из них требуется значительно более влажная и, следовательно, более теплая и плотная атмосфера, чем та, которая существует в настоящее время. Более теплая и влажная Нойская эпоха также подтверждается независимыми наблюдениями за скоростью выветривания горных пород, кратерными озерами Нойского периода и Нойской геологией в местах посадки.
Главная трудность этой модели заключается в том, что моделирование марсианского климата не позволяет надежно моделировать теплый и влажный Нойский период, в основном из-за расстояния между Солнцем и Марсом по сравнению с Землей, а также предполагаемого более слабого Солнца в ранней солнечной системе. [4] Кроме того, парниковое состояние атмосферы CO 2 -H 2 O, согревающее климат, должно было оставить обширные отложения карбонатных пород, которые не были обнаружены. Также существуют проблемы с поддержанием такой атмосферы достаточно долго, чтобы образовались долины, поскольку невыветренные базальты, столь распространенные на Марсе, должны образовывать чрезвычайно эффективные поглотители углерода , особенно если поверхность влажная, [25] а продолжающиеся удары из космоса в ранней истории Марса должны были быстро стереть любую атмосферу. [26]
Решения этого кажущегося противоречия могут включать экзотические механизмы, которые не требуют устойчивого парникового эффекта CO 2 -H 2 O, такие как эпизодическое нагревание из-за вулканизма или ударов. Другие возможности (помимо неправильной интерпретации геологии и геоморфологии) - это дефекты в физике или граничных условиях для климатических моделей - более сильное Солнце, чем предсказывает текущая теория, ошибочные предположения о следовых (но мощных) парниковых газах или ошибки в параметризации облаков CO 2. [1]
Однако возможно, что дополнительные следовые газы вместе с CO 2 могли бы разрешить этот парадокс. Рамирес и др. (2014) [27] показали, что парниковый эффект CO 2 -H 2 будет достаточно сильным, чтобы создать температуру выше точки замерзания, необходимую для формирования долины. Впоследствии было обнаружено, что этот парниковый эффект CO 2 -H 2 даже более эффективен, чем первоначально продемонстрировано в Рамиресе и др. (2014), [28] с возможными теплыми растворами при концентрации водорода и давлении CO 2 всего 1% и 0,55 бар соответственно. [29]
