Коллапс углекислого газа: как вода текла по ледяному Марсу

Художественная интерпретация покрытой льдом реки, берущей начало из талой воды под южной полярной шапкой Марса. Автор: Peter Buhler/PSI

Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Journal of Geophysical Research: Planets, на холодном древнем Марсе текли реки и под защитой толстого ледяного покрова наполнялось озеро размером со Средиземное море.

В статье, подготовленной под руководством Питера Бюлера, исследователя Института планетарных наук, описывается, как 3,6 миллиарда лет назад углекислый газ вымерз из атмосферы Марса и отложился на поверхности водяного льда на полюсах, изолируя тепло, исходящее из недр Марса, и увеличивая давление на лед. Это привело к тому, что примерно половина общего количества воды на Марсе растаяла и растеклась по его поверхности без необходимости климатического потепления.

Предыдущая работа Бюлера была сосредоточена на моделировании современного цикла углекислого газа на Марсе. Недавно он расширил свою модель, чтобы исследовать обмен углекислого газа с марсианским реголитом — песком и камнями. Таким образом, его модель охватывает полный цикл углекислого газа от реголита до атмосферы и замороженных полярных шапок.

В этом исследовании он применил модель к поворотному периоду в истории Марса.

«Эта модель описывает происхождение основных ландшафтных особенностей на Марсе — таких как самое большое озеро, самые большие долины и самая большая система эскеров (остатки рек, которые когда-то текли под ледяным щитом) — самосогласованным образом», — сказал Бюлер. «И она опирается только на процесс, который мы наблюдаем уже сегодня, а именно на простое выпадение углекислого газа из атмосферы».

Марс в движении

Еще с 1970-х годов ученым было известно, что большая часть углекислого газа Марса в настоящее время связана в реголите в слоях толщиной в одну молекулу вокруг каждой частицы.

Поэтому, когда Бюлер включил реголит в свою модель, он обнаружил, что «атмосфера в основном просто сопровождает нас», — сказал он. «Она действует как проводник для реального действия, которое представляет собой обмен между реголитом и южной полярной ледяной шапкой, даже сегодня».

Цикл контролируется углом наклона оси вращения Марса, который медленно смещается вперед и назад каждые 100 000 марсианских лет.

Когда Марс вращается почти прямо вверх и вниз, полюса не получают много прямого солнечного света, в то время как солнце печет экватор. В этих условиях углекислый газ выходит из реголита в атмосферу. Когда он достигает холодных полюсов, он оседает на поверхности шапки из водяного льда.

И наоборот, когда Марс сильно наклонен, Солнце легко нагревает полюса. В результате лед из углекислого газа сублимируется — или напрямую преобразуется из твердого льда в газ — в атмосферу, где более холодный реголит может затем «впитать его обратно, как губка», сказал Бюлер.

Эта модель хорошо подходит для современного Марса, поэтому Бюлер хотел проверить, как она будет работать в то время, когда на планете была гораздо более плотная атмосфера из углекислого газа — около 3,6 миллиарда лет назад. Именно тогда, по мнению ученых, атмосфера Марса впервые начала разрушаться, и текущий цикл углекислого газа, описанный Бюлером, начал функционировать.

Имеются также доказательства того, что эта эпоха совпадает с возникновением многих сетей речных долин, но ученые до сих пор не пришли к единому мнению относительно климатических условий, которые могли бы объяснить их формирование.

В модели Бюлера слой углекислого газа толщиной 0,4 мили откладывается поверх слоя водяного льда толщиной 2,5 мили, слоя водяного льда примерно такой же толщины, как тот, что существует на южном полюсе сегодня. Лед из углекислого газа действует как мощный изолятор, удерживая тепло, излучаемое из горячих недр планеты внизу. Он также добавляет вес и давление поверх шапки водяного льда.

Он обнаружил, что в совокупности эти условия приводят к таянию огромного количества воды у основания ледяного покрова.

Затем талая вода пропитывает марсианскую кору по краям ледяного щита. Там подземные воды пытаются вырваться, но вместо этого замерзают, образуя вечную мерзлоту.

«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».

Эта талая вода образует реки у основания ледникового щита. Эти подледниковые реки оставляют после себя длинные гравийные хребты, называемые озами. Ученые наблюдали множество озов вблизи южного полюса, размеры которых соответствуют подледниковым рекам, предсказанным моделью Бюлера.

«Эскеры — это свидетельство того, что в какой-то момент на Марсе произошло подледниковое таяние, и это большая загадка», — сказал Бюлер. «Люди пытались обнаружить процессы, которые могли бы это сделать, но ничего не сработало.

«Самая лучшая гипотеза на данный момент заключается в том, что произошло некое неуказанное глобальное потепление, но для меня это неудовлетворительный ответ, потому что мы не знаем, что могло вызвать это потепление. Эта модель объясняет эскеры, не прибегая к климатическому потеплению».

Как только подледниковые реки достигают края ледяного щита, они сталкиваются с холодной атмосферой и первоначально образуют сочащиеся потоки, похожие на медленно движущуюся лаву, покрытую замерзшей коркой. В конце концов, эти покрытые льдом илы раздуваются достаточным количеством воды, чтобы стать настоящими покрытыми льдом реками.

Бюлер прогнозирует, что лед, покрывающий реки, достигнет толщины в десятки-сотни футов и перекроет реку глубиной в несколько футов, при этом скорость течения воды составит несколько футов в секунду, а талой воды будет достаточно, чтобы достичь длины в тысячи миль.

Существует несколько длинных извилистых долин, ведущих вниз от южнополярного региона, богатого озами, к бассейну Аргир, которые ранее были идентифицированы как древние речные русла, что соответствует прогнозу его модели.

Затем покрытая льдом вода заполняет бассейн Аргир, который по объему примерно равен Средиземному морю, в течение десятков тысяч лет, прежде чем он переливается и опорожняется почти в 5000 милях отсюда на северных равнинах, сказал Бюлер. Вероятно, этот процесс происходил несколько раз, с разницей в миллионы лет в течение эры в сто миллионов 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 объяснения этого не требуется потепления на поздней стадии».

Далее Бюлер планирует будущие испытания своей модели. Если результаты сохранятся, они кардинально изменят наше понимание древнего водного цикла Марса, сказал он.

Больше информации: P. B. Buhler, Massive Ice Sheet Basal Melting Triggered by Atmospheric Collapse on Mars, Leading to Formation of an Overtopped, Ice‐Covered Argyre Basin Paleolake Fed by 1,000-km Rivers, Journal of Geophysical Research: Planets (2024). DOI: 10.1029/2024JE008608

Источник: Planetary Science Institute