Гигантские волны уносят атмосферу Марса в космос

Солнце непрерывно испускает поток заряженных частиц, известный как солнечный ветер. Земля в значительной степени защищена от него глобальным магнитным полем, но у Марса такого щита нет. Это оставляет верхние слои атмосферы планеты открытыми, позволяя солнечному ветру выбивать атмосферные частицы и уносить их в космос.

Новое исследование, проведенное Бостонским университетом и опубликованное в журнале Science Advances, предполагает, что эта потеря атмосферы может напоминать ветер, движущийся над водой. На Земле ветер, проходящий над водоемом, создает волны и водовороты. На Марсе солнечный ветер, по-видимому, производит аналогичный эффект, «взбалтывая» внешнюю границу верхних слоев атмосферы.

Это взаимодействие порождает огромные пограничные волны, называемые волнами Кельвина — Гельмгольца.

Первый автор исследования Чи Чжан, научный сотрудник Центра космической физики BU, вместе с коллегами проанализировал данные миссий MAVEN и «Тяньвэнь-1». «Тяньвэнь-1» измерял набегающий солнечный ветер до того, как он достигал Марса, а MAVEN отслеживал убегающие вблизи планеты атмосферные ионы.

Объединив два набора наблюдений, исследователи смогли напрямую сравнить изменяющиеся условия солнечного ветра с движением частиц марсианской атмосферы в космос.

Два космических аппарата раскрывают тайну потери атмосферы

Большие облака плазмы в верхних слоях атмосферы могут вызывать то, что исследователи называют «массовым убеганием» атмосферных ионов. Ученые ранее предлагали несколько возможных объяснений того, как образуются эти облака, но их происхождение оставалось неясным из-за ограниченности прямых доказательств.

Одним из главных препятствий было то, что один космический аппарат не мог одновременно наблюдать невозмущенный солнечный ветер выше по потоку от Марса и измерять убегающие вблизи планеты атмосферные ионы.

В более раннем исследовании, опубликованном в Nature Communications, Чжан и его коллеги показали, что одновременные измерения с MAVEN и «Тяньвэнь-1» могут связать изменения набегающего солнечного ветра с условиями вокруг Марса. Новое исследование в Science Advances развивает эту работу и определяет волны Кельвина — Гельмгольца как важный механизм потери атмосферных ионов.

Исследователи нашли убедительные доказательства того, что эти волны порождают крупные плазменные облака, связанные с убеганием атмосферы. Они также обнаружили, что этот процесс распределен вокруг Марса неравномерно.

«Вместо этого он в основном наблюдается на одной стороне планеты, в зависимости от направления электрического поля солнечного ветра», — сказал Чжан.

Полученные данные устанавливают прямую связь между волнами Кельвина — Гельмгольца и усиленным убеганием атмосферных ионов с Марса.

Измерение волн, иссушающих Марс

«Будущие исследования будут сосредоточены на выявлении условий, благоприятствующих формированию и росту волн Кельвина — Гельмгольца, и определении того, какой вклад они вносят в потерю атмосферы Марсом», — отметил Чжан.

Ответы на эти вопросы потребуют дополнительных измерений с космических аппаратов и продвинутых компьютерных симуляций. MAVEN сейчас приближается к завершающему этапу своей миссии, но исследователи ожидают, что будущие миссии продолжат ее работу.

«Его богатое научное наследие будет дополнено миссией NASA ESCAPADE, которая уже запущена и предоставит важную новую возможность для изучения потери атмосферы Марса, вызванной солнечным ветром», — сказал Чжан.

«Мы хотим знать, когда эти волны наиболее вероятно формируются, как они развиваются и насколько сильно они могут управлять убеганием атмосферы», — сказал Чуаньфэй Дун, сотрудник Центра космической физики BU и доцент кафедры астрономии. «Этот процесс также может происходить на других планетах, лишенных сильного магнитного поля, включая некоторые экзопланеты».

Ключ к утраченной обитаемости Марса

Понимание потери атмосферы может помочь объяснить драматическую трансформацию, которую Марс пережил за свою историю.

«Считается, что Марс когда-то мог быть обитаемым, с более плотной атмосферой и жидкой водой на поверхности. Понимание того, как он стал холодной, сухой планетой, которую мы видим сегодня, важно для понимания того, как развиваются планетарные среды с течением времени», — сказал Чжан.