Древний климат Марса — одна из самых загадочных загадок нашей Солнечной системы. Планета была когда-то влажной и теплой; теперь она сухая и холодная. Что бы ни случилось с планетой, это не произошло в одночасье.
Новые исследования показывают, что на древнем холодном Марсе слои замерзшего углекислого газа позволяли рекам течь и существовать морю размером со Средиземное море.
Изменение климата Марса с теплого и влажного на холодный и сухой не было резким. Не было никаких катастрофических воздействий или других инициирующих событий. На протяжении его постепенного сдвига наблюдались различные климатические эпизоды.
Поверхность планеты характеризуется особенностями, указывающими на присутствие воды. Речные русла, ударные кратеры и бассейны, которые когда-то были палеоозёрами, иллюстрируют сложную климатическую историю Марса. Марс сильно отличается от Земли, но они оба следуют одному и тому же набору природных правил.
В холодном климате Земли реки могут течь под толстыми защитными ледяными покровами. Новое исследование показывает, что нечто подобное произошло на Марсе. Исследование было опубликовано в JGR Planets. Ведущий автор — Питер Бюлер, научный сотрудник Института планетарных наук.
Исследование рассматривает период около 3,6 миллиарда лет назад, когда Марс, вероятно, переходил от Нойского периода к Гесперианскому периоду. В то время большая часть поверхностной воды была заморожена в большие ледяные щиты в южном регионе Марса, согласно исследованию. Атмосфера планеты из CO2 периодически разрушалась и сублимировалась из атмосферы. Эти разрушения сформировали слой CO2 толщиной 650 метров, который создал огромную ледяную шапку над Южным полюсом. Он изолировал слой замерзшей воды толщиной 4 км, из которого состояли ледяные щиты.
Бюлер смоделировал, как шапка CO 2 действовала как тепловое одеяло, и показал, что она высвобождала огромные объемы талой воды из замерзшего полюса. Эта вода стекала по рекам, при этом верхние слои замерзали и изолировали жидкую воду под ними.
«Теперь у вас есть шапка сверху, насыщенный уровень грунтовых вод снизу и вечная мерзлота по бокам», — сказал Бюлер. «Единственный оставшийся путь для воды — через границу между ледяным щитом и породой под ним. Вот почему на Земле вы видите, как реки выходят из-под ледников, а не просто стекают в землю».
По данным работы Бюлера, высвободившейся воды хватило, чтобы заполнить бассейн Аргир.
Бассейн Аргир — один из крупнейших ударных бассейнов на планете, его диаметр составляет около 1800 км. Этот огромный ударный бассейн образовался миллиарды лет назад в результате столкновения Марса с кометой или астероидом. Он находится примерно на 5,2 км ниже окружающих равнин, что делает его вторым по глубине бассейном на Марсе. Ученые долгое время считали, что в бассейне когда-то была вода — столько же, сколько в Средиземном море, — и работа Бюлера показывает, как он мог заполняться.
«Эскеры — это свидетельство того, что в какой-то момент на Марсе было подледниковое таяние, и это большая загадка», — сказал Бюлер. Эскеры — это длинные стратифицированные хребты песка и гравия, отложенные талыми водами, текущими под ледниками. Они распространены на Земле, где ледники когда-то покрывали поверхность. Эскеры Марса подтверждают идею о том, что то же самое произошло и на этой планете.
Подледниковые реки текли бы подо льдом, где они были бы изолированы от холода. Когда они выходили из ледника, они бы просачивались, пока не образовалась бы достаточно толстая ледяная шапка, чтобы изолировать их. Бюлер говорит, что лед рос бы до тех пор, пока не стал бы толщиной в сотни метров, а вода, текущая под ледяными шапками, была бы глубиной в несколько футов. Вода бы прорезала речные русла длиной в тысячи миль, и есть несколько таких, которые идут от полярной шапки до бассейна Аргир.
«Люди пытались обнаружить процессы, которые могли бы это сделать, но ничего не сработало», — сказал Бюлер. «Сейчас лучшая гипотеза заключается в том, что произошло некое неуказанное глобальное потепление, но это был неудовлетворительный ответ для меня, потому что мы не знаем, что могло вызвать это потепление. Эта модель объясняет эскеры, не привлекая климатическое потепление».
Бассейн Аргир огромен и объемен, и предложенные объяснения того, как он был заполнен водой, остались без ответа. Он имеет примерно такой же объем, как Средиземное море. Модель Бюлера показывает, что для заполнения бассейна потребовалось около десяти тысяч лет, а после того, как он заполнился, вода вылилась на равнины примерно в 8000 км от него.
Этот процесс повторялся неоднократно на протяжении эры в сто миллионов лет, причем каждое событие разделялось миллионами лет.
«Это первая модель, которая производит достаточно воды, чтобы перекрыть Аргир, что соответствует многолетним геологическим наблюдениям», — сказал Бюлер. «Также вероятно, что талая вода, оказавшись ниже по течению, сублимировалась обратно в атмосферу, прежде чем вернуться в южную полярную шапку, увековечивая гидрологический цикл от полюса до экватора, который мог сыграть важную роль в загадочном пульсе поздней стадии гидрологической активности Марса. Более того, для его объяснения не требуется потепление на поздней стадии».
Работа Бюлера подтверждается другими исследованиями. «Предыдущая литература подтверждает наличие ~0,6 бар (атмосферного) запаса CO 2 , как это используется в модели, вблизи границы Ноя и Гесперия», — пишет он в своем исследовании. История атмосферного давления Марса подтверждается космохимией, минералогией, атмосферой и изотопными отношениями газа, захваченного метеоритами, геоморфологией и экстраполяциями современных выбросов из атмосферы.
«Таким образом, имеются веские доказательства того, что на Марсе имелся достаточно большой подвижный резервуар CO2 , чтобы запустить сценарий таяния, вызванный атмосферным коллапсом, описанный в этой рукописи, причем коллапс произошел в то время, которое сопоставимо с формированием сети долин во время интенсивного поздненойского/раннегесперианского терминального импульса интенсивной речной активности на Марсе», — пишет Бюлер.
Этот период истории Марса выделяется как отдельная фаза геологической активности, тогда как изменения были более постепенными в более ранний Нойский период. Поздний Нойский/Ранний Гесперидский период ознаменовался интенсивным формированием сети долин. Многие из этих долин глубоко врезаны в ландшафт, часто прорезая более старые геологические особенности. Это говорит о том, что поток воды был мощным и эрозионным. Эта речная активность также создала большие отложения осадка, подобные тем, которые марсоход NASA Perseverance исследует в кратере Джезеро.
Исследования Бюлера частично основаны на современных наблюдениях за атмосферным CO 2 Марса и его циклами. Большая его часть фактически заморожена и связана с реголитом. Наклон вращения Марса смещается на протяжении 100 000 лет. Когда он приближается к прямому направлению вверх и вниз, Солнце попадает на экватор, и CO 2 высвобождается из реголита в атмосферу. В конечном итоге он достигает полюсов, где замораживается в шапках.
Когда Марс наклоняется, полюса нагреваются, а CO2 сублимируется и снова выбрасывается в атмосферу. В конце концов он достигает теперь уже более холодного реголита, который его поглощает. «Атмосфера в основном просто участвует в этом процессе», — сказал Бюлер. «Она действует как проводник для реального действия, которое представляет собой обмен между реголитом и южной полярной ледяной шапкой, даже сегодня».
Бюлер все еще работает над своей моделью и намерен продолжить ее более тщательное тестирование. Если она успешно выдержит еще большее тестирование, наше понимание Марса сделает большой шаг вперед.
