Схема, показывающая, как изменения наклона оси Марса влияют на полярные шапки и климат планеты. Источник: NASA/JPL-Caltech
Марс известен мощными пылевыми бурями, пылевыми вихрями и двумя крупными полярными ледяными шапками, причём северная шапка считается одной из самых заметных особенностей Красной планеты. Она состоит из водяного льда и может служить потенциальным источником воды для будущих пилотируемых миссий, а также помогает учёным восстанавливать картину климата Марса в прошлом. При этом в научном сообществе продолжаются споры о соотношении льда и пыли в северной полярной шапке — в частности, о том, какую долю в ней занимает пыль по сравнению с гораздо большим объёмом водяного льда.
Теперь двое исследователей, возможно, приблизились к более точному пониманию связи между слоями льда и пыли в северной полярной шапке Марса. В недавней работе, опубликованной в журнале npj Space Exploration, они представили новые свидетельства того, что водяной лёд у северного полюса планеты может содержать значительно меньше пыли, чем предполагали прежние модели. Ранее считалось, что верхний слой водяного льда у северного полюса содержит около 25 процентов пыли по массе, то есть доля пыли в общем весе материала оценивалась именно так. Этот показатель рассчитывается как отношение массы пыли к суммарной массе льда и пыли.
Однако в новом исследовании расчёты были выполнены заново на основе аналогичных работ по изучению льда и пыли на Земле. В результате учёные получили новую оценку: верхний слой водяного льда у северного полюса Марса содержит примерно 3 процента пыли по массе, что намного меньше прежних 25 процентов. Причиной такого расхождения, по их словам, является многослойная структура северной полярной области: сверху находится лёд, под ним — более тонкие пылевые прослойки, а ещё ниже — снова лёд.
К этой оценке исследователи пришли, объединив данные приборных измерений и компьютерное моделирование. Они использовали спектрометр OMEGA (Observatoire pour la Minéralogie, l’Eau, les Glaces et l’Activité), спектрометр CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars), камеру SSI (Surface Stereo Imager) на борту давно завершившего работу аппарата Mars Phoenix Lander, а также известные данные о составе водяного льда и марсианской пыли. «Наблюдая за тем, как менялась яркость со временем, мы выяснили, что зимой образуется иней, и он более пыльный. Марсианским летом он исчезает, обнажая более чистый, более старый лёд», — приводит слова доктора Адитьи Хуллера, старшего научного сотрудника Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета и соавтора исследования, сайт Вашингтонского университета.
Значение этой работы выходит далеко за пределы изучения современного слоя льда и пыли и обращено в далёкое прошлое Марса, чтобы лучше понять его прежний климат. Дело в том, что наклон оси Земли остаётся стабильным благодаря гравитационному влиянию Луны, а у Марса такой стабильности нет. Если наклон земной оси колеблется, как у вращающегося волчка, лишь в пределах примерно от 22 до 24,5 градуса за 41 тысячу лет, то марсианский наклон меняется гораздо сильнее — от 15 до 35 градусов на протяжении от 100 тысяч до миллиона лет. Это приводит к резким климатическим сдвигам, включая перераспределение льда и пыли по всей планете и особенно в северных широтах.
Например, в периоды малого наклона (15 градусов) полярные ледяные шапки разрастаются почти до экватора, поскольку солнечный свет почти не попадает на их области. Напротив, при большом наклоне (35 градусов и более) полярные шапки уменьшаются, нередко полностью исчезают и появляются в других местах поверхности. Тогда пыль, погребённая под слоями льда, разносится по атмосфере, образуя ледяно-пылевую смесь, которая вновь оседает в северных широтах. Климат Марса гораздо более изменчив, чем земной, поэтому подобные исследования помогают пролить свет на то, как слои льда и пыли связаны с климатом планеты в прошлом.