Ученые из NASA с помощью телескопа «Хаббл» и аппарата MAVEN выяснили причину исчезновения воды на Марсе.
Под воздействием солнечного света молекулы воды в атмосфере Марса разлагаются на атомы водорода и кислорода. Исследователи измерили как водород, так и дейтерий — атом водорода с нейтроном в ядре. Из-за этого нейтрона масса дейтерия в два раза больше массы обычного водорода. Поэтому дейтерий улетает в космос медленнее обычного водорода.
С течением времени соотношение дейтерия и водорода в атмосфере возрастало из-за потери большего количества водорода, чем дейтерия. Измерение этого соотношения сегодня помогает учёным понять количество воды, которое присутствовало в тёплый, влажный период на Марсе. Изучая процессы «убегания» атомов в настоящее время, можно выяснить те факторы, которые определяли скорость «убегания» за последние четыре миллиарда лет, и тем самым экстраполировать назад во времени.
Большинство данных исследования поступает с космического аппарата MAVEN, но его чувствительность недостаточна для регистрации выбросов дейтерия в любой момент марсианского года. В отличие от Земли, Марс отклоняется далеко от Солнца по своей эллиптической орбите во время долгой марсианской зимы, делая выбросы дейтерия слабыми.
Джону Кларку, руководителю исследования из Центра космической физики Бостонского университета, и его команде требовались данные «Хаббла», чтобы заполнить пробелы и завершить годовой цикл длительностью три марсианских года (по 687 земных дней каждый). «Хаббл» также предоставил дополнительные данные с 1991 года до прибытия MAVEN к Марсу в 2014 году.
Объединение данных миссий дало первое полное представление об атомах водорода, уходящих с Марса и из космоса. За последние годы учёные выяснили, что на Марсе годовой цикл динамичнее ожидаемого 10-15 лет назад. Атмосфера очень турбулентна, нагревается и остывает в течение коротких промежутков, до часов. Атмосфера расширяется и сжимается из-за изменения яркости солнца на Марсе, которое меняется на 40% за марсианский год, — рассказал Кларк.
Команда обнаружила, что скорости утечки водорода и дейтерия быстро меняются приближении Марса к Солнцу. В старой картине мира учёные считали, что эти атомы медленно распространяются вверх через атмосферу на высоту, где могут покинуть её.
Эта картина неточно отражает историю, потому что учёные выяснили, что атмосферные условия изменяются очень быстро. Когда Марс находится близко к Солнцу, молекулы воды, являющиеся источником водорода и дейтерия, быстро поднимаются через атмосферу, высвобождая атомы на больших высотах.
Второе открытие заключается в том, что из-за быстрой смены состояний водорода и дейтерия требуется дополнительная энергия для «атомного побега». При температуре верхней атмосферы только часть атомов обладает достаточной скоростью для выхода из гравитационного поля Марса. Более быстрые атомы образуются при столкновении протонов солнечного ветра с атмосферой или за счет солнечного света, запускающего химические реакции в верхней атмосфере.
Изучение истории воды на Марсе важно не только для понимания планет Солнечной системы, но и для эволюции планет размером с Землю около других звёзд. Астрономы находят всё больше таких планет, но изучать их подробно сложно.