Установлен физический механизм истощения атмосферы Марса

Современный Марс — холодная и безжизненная планета с разреженной холодной атмосферой. Однако миллиарды лет назад его облик был совсем иным. Тогда Марс обладал плотной газовой оболочкой, мощным магнитным полем и обширными запасами жидкой воды на поверхности. Благодаря этим условиям древний Марс считался значительно более благоприятным местом для возникновения и существования жизни.

Переломным фактором стало постепенное угасание внутренних процессов планеты. По мере ослабления геологической активности, Марс утратил глобальное магнитное поле, которое ранее защищало атмосферу от воздействия солнечного ветра и космических лучей. Без этого естественного экрана верхние слои атмосферы начали медленно разрушаться и уноситься в межпланетное пространство.

В настоящее время главным механизмом потери кислорода является так называемый тепловой или «горячий» побег атомов. На его долю приходится более 80% всего кислорода, покидающего атмосферу. Механизм запускается солнечным ультрафиолетовым излучением, которое ионизирует атмосферные молекулы, выбивая из них электроны. Затем при рекомбинации ионов со свободными электронами высвобождается энергия. Её достаточно, чтобы часть атомов кислорода разогналась до скоростей, превышающих силу притяжения Марса, и навсегда покинула планету.

Не менее важную роль играет солнечный ветер — непрерывный поток заряженных частиц, исходящий от Солнца. Взаимодействуя с верхними слоями атмосферы, он передает им дополнительную энергию, способствуя выносу вещества в космос. По мнению ученых, в ранней истории Марса, когда солнечная активность была значительно выше, именно этот процесс определял темпы разрушения атмосферы.

Хотя воздействие солнечного ветра происходит постоянно, исследователи давно обращали внимание на необычные всплески активности. В отдельные моменты вокруг планеты формируются крупные облака плазмы, состоящие из ионов, покинувших атмосферу. Долгое время происхождение этих структур оставалось загадкой, поскольку необходимых наблюдений попросту не существовало.

Разгадать механизм удалось международной группе ученых, результаты работы которой опубликованы в журнале «Science Advances». Исследователи объединили наблюдения американского орбитального аппарата MAVEN и китайской станции «Тяньвэнь-1». Такое сочетание данных позволило одновременно отслеживать состояние солнечного ветра перед его взаимодействием с Марсом и процессы, происходящие непосредственно в атмосфере планеты.

Анализ показал, что образование плазменных облаков связано с возникновением неустойчивостей Кельвина — Гельмгольца. Эти волнообразные структуры появляются на границе между солнечным ветром и атмосферой Марса. Во время исследования специалисты зарегистрировали 62 подобных эпизода, включая 16 одиночных и 46 повторяющихся событий.

Расчеты показали, что в моменты формирования таких волн скорость утечки ионов кислорода возрастает в 10 – 100 раз по сравнению с обычным фоновым уровнем. При этом подобные процессы распределены по поверхности планеты неравномерно: чаще всего они возникают лишь в определенной области марсианской атмосферы.

Теперь исследователи намерены определить, какие именно параметры солнечного ветра и состояния атмосферы способствуют возникновению таких волн. Это позволит точнее оценить вклад плазменных облаков в общую потерю атмосферы и насколько сильно они повлияли на эволюцию Марса в прошлом.