«Бегство» атомов водорода из верхних слоев атмосферы Марса в космическое пространство объясняется действием приливной силы Солнца, которое выступает в роли насоса, позволяющего воде преодолеть «бутылочное горлышко». Разработанная исследователями из России и Германии модель хорошо согласуется с наблюдениями и позволяет объяснить ряд явлений в атмосфере Марса. Исследование опубликовано в журнале Geophysical Research Letters.

«Солнце работает как насос, который, включаясь днем, помогает воде преодолеть высоту в 60 км над поверхностью», — заявил ведущий автор статьи, научный сотрудник лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ Дмитрий Шапошников.

Марсианская атмосфера холодна и разрежена, напоминая этим земную на больших высотах. При таких условиях вода находится не в жидкой фазе, а образует облака, состоящие из мелких кристалликов льда. Поскольку эти кристаллики достаточно тяжелы, основная масса воды сосредоточена в нижнем слое атмосферы, толщина которого составляет порядка 60 км. Однако данные, полученные от американского спутника MAVEN (от Mars Atmosphere and Volatile Evolution — «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе») и космического телескопа «Хаббл», свидетельствуют о периодическом потоке атомов водорода, покидающих планету. Единственным их источником может быть вода, распадающаяся в верхних слоях атмосферы (70—80 км от поверхности) под воздействием ультрафиолета на кислород и водород.

Согласно наблюдениям, количество атомов водорода, улетающих в космическое пространство, возрастает во время летнего солнцестояния в южном полушарии и при пылевых бурях. Причем колебания концентрации воды в верхних и нижних слоях атмосферы происходят одновременно. В связи с этим физики выдвинули гипотезу о существовании некого «насоса», «закачивающего» воду вверх, и с помощью численного моделирования объяснили его природу.

Основой послужила разработанная в Институте Макса Планка модель общей циркуляции атмосферы Марса (Martian general circulation model, MPI–MGCM). В ней детально описывается перенос воды с поверхности в термосферу (слой атмосферы, где температура падает с набором высоты) и учитывается влияние пылевых бурь.

Основная масса воды сосредоточена в нижних слоях атмосферы, на высоте не более 30 км, но расчеты показали, что вода может «просочиться» в верхние слои атмосферы, попав в небольшой восходящий поток водяного пара, расположенный между 20 ° и 70 ° южной широты, существующий лишь в период перигелия, — своего рода бутылочное горлышко. Если воде удается его преодолеть, сезонные ветра несут ее на север, к полюсу. По дороге некоторая часть H₂O распадается под действием ультрафиолета на водород и кислород, а основная часть вместе с остывающим воздухом вновь опускается в нижние слои атмосферы и конденсируется в районе северного полюса. Так формируется северная полярная шапка Марса (южная значительно меньше).

На водные потоки влияют и пылевые бури. В частности, загрязненный воздух сильнее нагревается, что препятствует конденсации воды. «Наши расчеты показали, что повышение температуры при пылевой буре приводит к увеличению концентрации водяного пара и интенсивности циркуляции воздушных потоков», — отметил Шапошников.

Повышенное содержание воды приводит к тому, что толщина гидросферы увеличивается с 60 до 70 км. Ледяные облака при этом становятся более плотными и располагаются выше. Из-за увеличения количества частиц пыли в воздухе формируется большое количество мелких ледяных кристалликов, которые оседают медленнее, чем большие. За счет этого ледяные облака при буре располагаются выше и удерживают больше влаги. Таким образом, повышенное содержание пыли в воздухе помогает воде преодолеть «бутылочное горлышко» и попасть в верхние слои атмосферы.

Наибольшее влияние на приливы и отливы Марса оказывает Солнце, его притяжение действует и на водяные пары. В результате днем наблюдается «отлив» — формирование восходящего потока водяного пара, а вечером образуется нисходящий поток — «прилив».

Для проверки адекватности модели авторы сравнили полученные результаты с данными, собранными Марсианским разведывательным спутником (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO). И моделирование, и эксперимент показали увеличение концентрации воды в атмосфере во время перигелия. «Новая модель хорошо согласуется с наблюдениями, позволяет объяснить ряд явлений в атмосфере Марса (наличие паров воды на высоте более 80 км, сезонные колебания, влияние пылевых бурь, влияние солнечных приливов) и может быть использована для проверки новых гипотез», — подчеркнул один из авторов исследования, руководитель лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ Александр Родин.