На поверхности Марса существуют овраги, которые внешне удивительно напоминают формы рельефа, возникающие на Земле под действием текущей воды. Некоторые из них имеют углубления в верхней части склонов, извилистые русла и веерообразные отложения у основания. Однако современные условия на Марсе делают жидкую воду крайне проблематичным кандидатом на роль главного механизма их нынешнего изменения.
Особенно интересен район Sisyphi Cavi в южном полушарии Марса. Здесь расположена система глубоких впадин примерно на 68-й южной широте, где наблюдается современная активность оврагов. Исследование сезонных льдов в этом районе показало, что во время периода, когда овраги продолжают изменяться, признаков самостоятельного поверхностного льда из воды не обнаруживается. Одновременно наблюдается большое количество сезонного углекислотного льда, который в конце весны постепенно сублимирует.
Наблюдения также позволили отвергнуть простой вариант объяснения через марсианские «гейзеры» из углекислого газа: их активность приходится на другое время года. Поэтому исследователи рассматривают другой механизм — движение материала по склону, которому способствует сублимация CO₂ и возникающая при этом газовая прослойка. Такой процесс может заставлять смесь льда и грунта двигаться вниз по склону и формировать структуры, похожие на водные овраги.
Важно, однако, не превращать этот результат в утверждение, что все овраги Марса образуются именно таким способом. Работа посвящена конкретному активному району Sisyphi Cavi и показывает, что здесь современная модификация рельефа может происходить без жидкой воды.
Почему марсианские овраги оказались загадкой
Марсианские овраги давно привлекают внимание планетологов из-за своего внешнего сходства с земными формами рельефа. На Земле вода способна переносить частицы грунта вниз по склону, прорезать русла и откладывать принесённый материал у подножия. В результате формируются системы, состоящие из верхней ниши, канала и веерообразного отложения.
На Марсе встречаются структуры с похожей геометрией. Это особенно интересно потому, что многие из них считаются относительно молодыми геологическими образованиями, а некоторые продолжают изменяться в современную эпоху.
Сам факт современной активности требует механизма, который способен работать при нынешнем марсианском климате, а не только объяснения условиями далёкого прошлого.
Древняя вода и современная активность — разные вопросы
Марс действительно имеет богатую историю взаимодействия с водой. Данные многочисленных миссий показывают, что в далёком прошлом на планете существовали реки, озёра и другие водные среды. Поэтому наличие древних долин и отложений, связанных с водой, не вызывает особых сомнений.
Но из этого не следует, что вода формирует наблюдаемые сегодня овраги.
Современный Марс намного холоднее и суше древнего Марса, а его атмосфера значительно разреженнее. Поэтому механизм, который мог работать миллиарды лет назад, не обязательно способен формировать рельеф сейчас.
Именно это различие между древней гидрологической активностью и современной модификацией поверхности является ключевым для изучения марсианских оврагов.
Sisyphi Cavi оказался необычным местом для изучения оврагов
Исследователи сосредоточились на районе Sisyphi Cavi, расположенном примерно на 68° южной широты и 1° восточной долготы. Это система глубоких впадин в южной полярной области Марса.
Район интересен тем, что здесь наблюдаются активные овраги, хотя он находится значительно ближе к южному полюсу, чем многие другие известные области с подобными формами рельефа. Поэтому Sisyphi Cavi предоставляет возможность изучать механизм, который работает в условиях особенно сильного сезонного воздействия углекислотного льда.
Вместо того чтобы искать признаки воды непосредственно в руслах, исследователи изучили сезонные отложения льда и то, как они меняются в течение марсианского года.
Для этого были использованы инфракрасные наблюдения двух орбитальных аппаратов — Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Express. На первом работал спектрометр CRISM, а на втором — OMEGA. Эти инструменты позволяют определять состав поверхности по особенностям отражённого и поглощённого инфракрасного излучения.
Что происходит с поверхностью Марса зимой и весной
Высокие широты Марса подвергаются сильным сезонным изменениям. Зимой температура становится достаточно низкой, чтобы углекислый газ из атмосферы конденсировался непосредственно в твёрдую фазу.
Так на поверхности образуется сезонный покров из CO₂-льда. Это принципиально отличается от привычного земного снегопада: основной компонент такого покрова — не вода, а углекислый газ.
Когда наступает весна и поверхность получает больше солнечного излучения, этот лёд начинает исчезать. Но углекислотный лёд не обязательно превращается в жидкость. При соответствующих условиях он непосредственно переходит из твёрдого состояния в газообразное. Такой процесс называется сублимацией.
Именно этот сезонный переход оказался центральным элементом нового объяснения активности марсианских оврагов.
Прозрачный углекислотный лёд играет особую роль
Наблюдения показали, что в начале и середине весны сезонный CO₂-лёд в исследованной области является полупрозрачным. Это важно, потому что солнечный свет может проникать через такой лёд и достигать более тёмной поверхности под ним.
Поглощение солнечного излучения тёмным грунтом под прозрачным или полупрозрачным слоем приводит к его нагреву. В результате углекислый газ в нижней части ледяного покрова начинает сублимировать.
Возникающий газ может создавать давление и воздействовать на расположенный выше ледяной слой. Именно с этим процессом связаны хорошо известные сезонные явления на южных широтах Марса — тёмные пятна, которые наблюдаются на поверхности во время весеннего оттаивания в широком смысле этого слова.
Однако исследование показало, что эти явления не совпадают по времени с изменением оврагов.
Почему жидкая вода не подходит для объяснения активности
Первым шагом исследования стала проверка возможности участия воды.
Для этого учёные использовали спектральные данные. Вода обладает характерными особенностями поглощения инфракрасного излучения, по которым её можно обнаруживать дистанционно. В частности, для льда воды существует характерная полоса около длины волны 1,5 микрометра.
Если бы самостоятельный поверхностный водяной лёд присутствовал в значительном количестве в районе активных оврагов во время его сезонного изменения, его спектральный след можно было бы ожидать в данных.
Но наблюдения этого не показали.
Вода не была обнаружена в критический период
Особенно важен поздневесенний этап, когда сезонный углекислотный лёд уже практически исчезает. Именно в этот период наблюдается активная модификация некоторых оврагов.
При этом независимого спектрального признака водяного льда не обнаружено. Авторы допускают, что небольшое количество воды может присутствовать в виде примесей внутри слоя CO₂-льда, однако самостоятельного поверхностного слоя водяного льда в исследуемой области не выявлено.
Это существенно ограничивает возможность объяснить наблюдаемую активность простым таянием водяного льда.
Нельзя, конечно, сделать из этого вывод, что вода вообще никогда не играет роли в формировании марсианских оврагов. Исследование рассматривает конкретную область и конкретный современный процесс. Но для Sisyphi Cavi полученные данные не дают свидетельств участия жидкой воды в нынешней активности оврагов.
Почему обнаруженные соли не доказывают наличие воды
В исследованном районе всё же были обнаружены слабые спектральные признаки сульфатных солей.
Такие минералы представляют интерес, поскольку многие солевые и глинистые образования на Марсе связаны с прошлым взаимодействием поверхности с водой. Однако их присутствие само по себе не означает, что жидкая вода существует там сегодня.
Главное значение имеет расположение этих веществ. Слабые признаки сульфатных солей обнаружены преимущественно на высоких плато и краях кратеров, а не непосредственно в областях активных оврагов. Их распределение и количество не указывают на прямую связь с современным изменением овражных систем.
Поэтому наличие солей нельзя использовать как доказательство того, что именно вода сейчас переносит материал по склонам.
Это хороший пример того, почему при исследовании Марса важно различать минералы, сформировавшиеся в прошлом, и процессы, происходящие непосредственно сегодня.
Следующим подозреваемым стали углекислотные гейзеры
После того как жидкая вода не смогла объяснить наблюдения, внимание естественным образом переключается на углекислый газ.
На Марсе действительно существует необычное сезонное явление, которое иногда называют углекислотными гейзерами или механизмом Кифера. Оно связано с прозрачным сезонным CO₂-льдом и нагревом грунта под ним.
Когда солнечный свет проникает через ледяной покров и нагревает более тёмный грунт, углекислый газ в нижней части слоя сублимирует. Давление под льдом увеличивается. В определённых условиях ледяной покров разрушается, и газ с захваченными частицами грунта выбрасывается наружу.
С орбиты такие события могут проявляться в виде тёмных пятен на сезонном ледяном покрове.
Гейзеры действительно способны переносить грунт
На первый взгляд механизм кажется подходящим для формирования оврагов.
Газ, выходящий из-под ледяного покрова, движется с высокой скоростью и может переносить частицы песка и пыли. Поэтому возникает естественный вопрос: не способны ли такие выбросы постепенно прорезать наблюдаемые каналы?
Проблема обнаружилась при сравнении времени происходящих процессов.
Сезонные тёмные пятна, связанные с выбросами через прозрачный CO₂-лёд, появляются в конце зимы и достигают максимума примерно в период весеннего равноденствия. Изменение оврагов в Sisyphi Cavi начинается заметно позже — в середине или второй половине весны, когда активность таких гейзерных процессов уже в значительной степени заканчивается.
Такое расхождение во времени существенно ослабляет гипотезу о том, что именно выбросы CO₂ являются главным механизмом изменения оврагов.
Почему время оказалось ключом к разгадке
Если два процесса связаны причинно, между ними должна существовать соответствующая временная связь.
Если выбросы газа формируют овраги, активность гейзеров должна происходить до или одновременно с изменениями рельефа. Но в Sisyphi Cavi наблюдается другая последовательность: тёмные пятна, указывающие на выбросы через сезонный лёд, возникают раньше, а заметная модификация оврагов начинается позднее.
Это не является математическим доказательством невозможности какого-либо участия гейзеров, но наблюдаемая сезонная последовательность не поддерживает идею, что именно они являются основным механизмом.
Таким образом, исследователи получили важный результат не только благодаря тому, что обнаружили, но и благодаря тому, что не обнаружили: ни вода, ни обычная модель CO₂-гейзеров не соответствуют всей совокупности наблюдений в нужный момент сезона.
Новый кандидат — движение льда и грунта на газовой прослойке
После исключения двух основных вариантов остаётся другой процесс, связанный с сублимацией углекислого льда.
Исследователи рассматривают механизм, который можно описать как флюидизацию CO₂-льда. При сублимации газ не обязательно должен прорываться наружу отдельными струями. В определённых условиях он может проходить под слоем материала и уменьшать трение между твёрдым слоем и поверхностью склона.
В результате смесь льда и грунта может начать перемещаться по склону значительно легче, чем неподвижная масса.
По сути, газовая фаза способна действовать как своеобразная смазка.
Почему этот механизм сравнивают с воздушной подушкой
Понятную аналогию можно провести с воздушной подушкой, хотя физические процессы в экспериментальной системе и на Марсе не идентичны.
Если между твёрдым объектом и поверхностью появляется слой газа, контакт между ними уменьшается. Это позволяет объекту двигаться значительно легче.
В марсианском случае сублимирующий CO₂ может создавать похожие условия под сезонным ледяным покровом или смесью льда и рыхлого материала. Тогда слой, который в обычных условиях оставался бы неподвижным на склоне, может начать скользить.
Для планетологии это особенно интересно, потому что подобный механизм способен переносить большое количество рыхлого материала без необходимости существования потока жидкой воды.
Как из движения материала может появиться овраг
Овраг не обязательно формируется за один эпизод.
Если материал неоднократно перемещается по одному и тому же склону в течение последовательных сезонов, каждый эпизод способен немного изменять рельеф. Постепенно может углубляться канал, расширяться область выхода материала и формироваться отложение у основания.
Именно такой повторяющийся процесс способен создать структуру, которая визуально напоминает земной водный овраг.
При этом движущимся материалом является не поток жидкой воды. Его поведение определяется сезонным состоянием CO₂-льда, сублимацией и связанным с ней движением рыхлого вещества.
Получается важный для планетологии результат: похожая форма рельефа не обязательно означает одинаковый механизм её образования.
Почему земная аналогия может вводить в заблуждение
Глядя на фотографию марсианского оврага, легко использовать привычную земную интерпретацию: если есть канал и веерообразное отложение, значит по склону когда-то текла вода.
Но форма поверхности сама по себе не определяет физический механизм её образования.
На Земле жидкая вода чрезвычайно распространена и является одним из главных агентов эрозии. Поэтому многие сходные формы действительно связаны с водой.
На Марсе набор доступных физических процессов совершенно другой. Здесь большую роль могут играть сублимация углекислого льда, сезонное замерзание и отложение материала, движение сухих частиц, обрушения склонов и другие процессы.
Sisyphi Cavi показывает, насколько осторожно нужно переносить земные геологические аналогии на другие планеты.
Что именно показали инфракрасные наблюдения
Для работы особенно важны данные двух спектрометров — CRISM на Mars Reconnaissance Orbiter и OMEGA на Mars Express.
Оба прибора способны изучать поверхность Марса в инфракрасном диапазоне и определять присутствие различных веществ по характерным особенностям их спектров. Благодаря этому можно не только увидеть сезонный ледяной покров, но и определить, из какого вещества он состоит и как меняется его физическое состояние.
В случае Sisyphi Cavi наблюдения показали, что сезонный покров преимущественно связан с CO₂-льдом. При этом водяной лёд не проявился как самостоятельный поверхностный слой во время поздней стадии сублимации.
Также удалось установить сезонные различия в прозрачности углекислотного льда и сопоставить их с моментом появления тёмных пятен и изменением оврагов.
Именно объединение химической информации и временной последовательности событий позволило получить более строгую картину происходящего.
Овраги могут быть современными, но это не означает наличие воды
Особенно важен сам факт современной активности.
Если бы овраги были исключительно древними образованиями, возникшими в период, когда климат Марса был значительно более влажным, вопрос о современном механизме вообще не стоял бы.
Но наблюдения показывают, что некоторые из них продолжают изменяться.
Это означает, что поверхность Марса не является полностью геологически неподвижной. Даже в современном холодном и сухом климате сезонные процессы способны перемещать материал и постепенно менять рельеф.
В случае Sisyphi Cavi исследование указывает на возможность такого изменения благодаря углекислотному льду, а не жидкой воде.
Что это означает для поисков современной воды на Марсе
Результат имеет значение и для интерпретации будущих поисков воды.
Обнаружение современной активности на поверхности Марса само по себе ещё не является признаком жидкой воды. Если один и тот же тип рельефа можно сформировать с помощью CO₂-льда, необходимо сначала определить физический механизм конкретного процесса.
Это особенно важно при дистанционном исследовании. Орбитальный аппарат может обнаружить изменение формы поверхности, но для понимания причины необходимо сопоставить его с температурой, составом сезонных отложений, временем года и другими характеристиками.
Таким образом, новый результат не уменьшает интерес к поиску воды на Марсе, а помогает точнее отделять признаки воды от явлений, которые способны имитировать её геологические последствия.
Значение открытия для марсианской геологии
Для планетологов подобный механизм интересен не только как объяснение конкретного типа оврагов.
Он показывает, насколько важную роль в современном формировании поверхности Марса могут играть сезонные изменения углекислого газа. На Земле основные процессы выветривания и эрозии связаны с водой, льдом воды, ветром и температурными циклами. На Марсе в отдельных областях важным фактором становится переход CO₂ между твёрдым и газообразным состояниями.
В результате марсианская поверхность может изменяться благодаря процессам, которые практически отсутствуют на Земле.
Это расширяет представления о том, какие механизмы способны переносить грунт и формировать рельеф на планетах.
Один и тот же рельеф может иметь разное происхождение
Главный геологический урок состоит в том, что визуальное сходство ещё не означает физического сходства.
Марсианский овраг может выглядеть как земной водный овраг, но быть результатом движения смеси льда и грунта, которому способствует сублимация CO₂.
Для планетарной геологии это принципиально. Изучая другие миры, исследователи не могут ограничиваться классификацией объектов по внешнему виду. Необходимо проверять, какие физические условия существуют на конкретной планете и какие процессы способны работать именно там.
Это не окончательный ответ для всех марсианских оврагов
Полученный результат важно правильно интерпретировать.
Исследование не утверждает, что жидкая вода никогда не участвовала в формировании марсианских оврагов. Оно также не устанавливает, что все современные овраги на планете имеют исключительно углекислотное происхождение.
Работа сосредоточена на Sisyphi Cavi — конкретной области, где существуют активные овраги и где особенно выражены сезонные изменения CO₂-льда. Авторы приходят к выводу, что имеющиеся данные не дают свидетельств участия жидкой воды в современной активности этого района, а также не поддерживают гипотезу о том, что главным механизмом являются CO₂-гейзеры. Наиболее подходящими объяснениями они считают процессы, связанные с флюидизацией углекислотного льда или лавинным движением материала.
Поэтому следующий вопрос заключается в том, насколько широко этот механизм распространён за пределами Sisyphi Cavi.
Марс продолжает менять поверхность без жидких рек
Современный Марс часто представляют как практически мёртвый с геологической точки зрения мир. Однако наблюдения с орбиты показывают более сложную картину.
На планете продолжают происходить сезонные процессы, связанные с атмосферным CO₂, движением песка и пыли, обрушением склонов, воздействием ударов и изменениями ледяных покровов. Некоторые из них способны заметно менять поверхность за сравнительно короткое по геологическим меркам время.
Активные овраги в Sisyphi Cavi могут быть ещё одним проявлением этой динамики.
Их современное изменение, судя по имеющимся данным, не требует существования жидкой воды. Вместо этого рельеф может формироваться в результате сезонного взаимодействия атмосферы, углекислотного льда и рыхлого грунта.
Это делает марсианские овраги ещё интереснее: они показывают, что даже на холодной и сухой планете атмосфера способна непосредственно участвовать в перестройке поверхности.
Что ещё предстоит выяснить
Следующим этапом должно стать сравнение Sisyphi Cavi с другими активными оврагами Марса.
Если аналогичные изменения в других районах происходят в то же время относительно сезонного цикла CO₂ и сопровождаются сходными характеристиками ледяного покрова, гипотеза о широком распространении углекислотного механизма получит дополнительную поддержку.
Если же другие области будут демонстрировать другую сезонную картину, это может означать, что у марсианских оврагов существует несколько механизмов формирования и изменения.
Такой вариант вполне соответствует сложности планеты. Разные широты, высоты, уклоны и условия освещения создают различные сочетания температуры и сезонных отложений.
Поэтому окончательное понимание происхождения марсианских оврагов, вероятно, потребует изучения большого количества отдельных регионов, а не поиска одного универсального объяснения.
Главный вывод
Активные овраги в районе Sisyphi Cavi показывают, что для изменения рельефа Марса сегодня не обязательно нужна жидкая вода. Инфракрасные наблюдения Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Express не выявили самостоятельного поверхностного водяного льда в критический период, а обнаруженные сульфатные соли не имеют распределения, указывающего на связь с современной активностью оврагов.
Гипотеза об углекислотных гейзерах также сталкивается с проблемой: их сезонная активность приходится на более ранний период, чем изменение оврагов. Поэтому временная последовательность наблюдений не поддерживает идею о том, что именно гейзеры являются главным механизмом.
Наиболее подходящим объяснением для Sisyphi Cavi сейчас выглядит процесс, при котором сублимация CO₂ способствует движению ледяного и рыхлого материала по склону. Газ может уменьшать трение и облегчать перемещение массы, создавая потоки, способные углублять каналы и формировать отложения, похожие на результаты водной эрозии. Авторы рассматривают такой механизм наряду с CO₂-льдовыми лавинными процессами как возможную причину наблюдаемой активности.
При этом речь пока не идёт о доказанном универсальном механизме для всех марсианских оврагов. Но результат показывает принципиально важную вещь: сходство марсианского рельефа с земным ещё не означает, что за его формирование отвечают те же процессы. На Красной планете углекислотный лёд способен играть гораздо более существенную роль в современной геологической активности, чем можно было предположить, просто глядя на фотографии её поверхности.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
