Марсианские льды показались в профиль
Недавно были опубликованы снимки прямых наблюдений слоев льда под поверхностью Марса в средних широтах.
Наличие воды на Марсе давно не является секретом. Уже сейчас примерно оценены запасы водяного льда на полюсах, обнаружены ледники в средних широтах; известно, что даже в экваториальном грунте красной планеты концентрация воды местами достигает десятой части. Однако в своем большинстве данные о содержании воды на Марсе получены при помощи радаров или нейтронных спектрометров. А собственно посмотреть на марсианский лед удается редко. И вот недавно подобная встреча таки произошла: орбитальный телескоп HiRise на борту Mars Reconnaissance Orbiter сумел заснять залежи льда на склонах оврагов в средних широтах, и ученые впервые смогли взглянуть на марсианские ледники в профиль.
Полярные льды Марса астрономы рассмотрели уже в XIX веке — это одни из самых заметных деталей его поверхности. Правда, в прежние века астрономии считалось, что полюсы красной планеты покрывает исключительно замерзшая вода. Пока оптические средства были недостаточно высокого качества, многие пробелы в знаниях о соседней планете приходилось закрывать земными аналогиями и оптимистическими ожиданиями. Именно из таких ожиданий выросла иллюзия марсианских каналов, которая продержалась до самого начала космической эры. Астрономы могли спорить о происхождении каналов, искусственном или естественном, но большинство не сомневалось в их существовании.
Крест на судьбе марсианских каналов поставил зонд NASA Mariner 4, который в 1964 году впервые сделал снимки достаточного качества поверхности планеты с близкого расстояния. Открывшиеся исследователям пейзажи разрушили все надежды на «землеподобность» Марса. В 1973 году советский орбитальный аппарат «Марс-5» передал первые цветные снимки — это были фотографии рыжей, безводной и безжизненной пустыни.
В 1976 посадочные аппараты Viking 1 и 2 взяли пробы грунта и определили содержание в нем воды — не более 3%. К тому времени было уже известно, что сезонная изменчивость полярных льдов и рост полярных шапок в зимнее время определяется не водяным, а «сухим» углекислотным льдом. И только не меняющиеся с течением года белые пятна на полюсах — это второй слой льда, уже водяной.
Повторное открытие марсианской воды началось в 2002 году, с выводом на рабочую орбиту у четвертой планеты спутника NASA Mars Odyssey. Составной частью его прибора GRS был российский нейтронный спектрометр HEND. Регистрируя скорость нейтронов, вылетающих из грунта Марса под ударами космических частиц, HEND определял концентрацию водорода, который замедляет нейтроны. Водород в свободной форме содержаться в грунте Марса не может, поэтому его обнаружение в грунте позволило бы предполагать там наличие воды или водяного льда. К 2007 году была построена полная карта распределения воды в приповерхностном слое глубиной до 1 метра — к сожалению, глубже методом нейтронной спектроскопии не заглянуть. Данные даже о неглубоком распределении воды оказались неожиданными для многих — вода нашлась.
Согласно данным HEND, концентрация воды в приповерхностном слое у экватора составляет около 5% и к полюсам постоянно возрастает, достигая 90%. В 2008 году результаты орбитального зондирования подтвердились уже с поверхности, посадочным модулем Phoenix. Аппарат сел на высокой 68-й широте северного полушария. Копнув грунт, Phoenix нашел замерзшую воду всего в нескольких сантиметрах от поверхности.
В 2006-м добавился радар SHARAD на спутнике NASA MRO, а в 2007 году радар MARSIS на европейском спутнике Mars Express. Они получили возможность «просвечивать» недра Марса на глубины до 3 км и не только обнаруживать слои льда под поверхностью, но и узнать мощность полярных шапок. Оказалось, Южный полюс Марса прикрыт 3,5 километра водяного льда, а Северный — 1,7 километра. Если растопить эту воду, то океан мог бы залить всю планету на глубину 21 м (если не учитывать рельеф и перепады высот). И это не предел: когда-то воды на ныне «иссохшем» Марсе было в 6,5 раза больше.
На MRO установлена и самая «дальнобойная» камера, которая когда-либо добиралась до Марса. Телескоп HiRise обеспечивает съемку с разрешением до 25 см, так что с его помощью можно было разглядеть его «обитателей» — спускаемые аппараты и марсоходы. На его снимках удалось найти спускаемый аппарат «Марса-3», смог HiRise и больше рассказать о марсианской воде. Наблюдение за обрывистыми краями полярных шапок дало возможность изучить их слоистую структуру и увидеть настоящую внеземную лавину.
Оказалось, что и подобные процессы не замерли в тонкой марсианской атмосфере, и динамике оказался подвержен не только углекислотный лед, но и водяной.
Еще более интересные результаты дало наблюдение за средними широтами. На Марс продолжают падать метеориты, и свежие кратеры в пустынных, казалось бы, равнинах обнажают залегающий под поверхностью лед.
Если бы Viking 1 смог копнуть на полметра глубже, он нашел бы целый пласт льда. Радарное зондирование в широтах 40—60° показало обширные залежи льда на глубинах до 1 км. По некоторым оценкам, эти запасы составляют до 5% от объема полярных шапок. Особенно обширные запасы льда наблюдаются восточнее долины Эллада, в районе кратера Грэг.
Любопытно происхождение этих залежей. Анализ характера отложений льда в полярных шапках привел исследователей к гипотезе, что Марс неоднократно менял наклон своей оси, на 40° отклоняясь от нынешних 25. В какие-то периоды Северный полюс Марса оказывался развернут прямо к солнцу, что приводило к его активному испарению. Следствием становилось повышение плотности атмосферы планеты, пылевые бури и сильные снегопады. Климатологи применили земную климатическую модель к подобному сценарию марсианской жизни и получили данные о выпадении обильных снегов к востоку от Эллады.
Наконец, на днях был опубликован результат прямых наблюдений залежей марсианского льда в средних широтах. Внимательный анализ снимков HiRise позволил ученым обнаружить несколько обрывов, в склонах которых отчетливо просматриваются белые и голубоватые слои льда.
Дополнительная проверка гиперспектральным прибором CRISM на том же MRO подтвердила наличие воды.
Наблюдаемые залежи льда начинаются с глубины примерно в 1 м и достигают толщины 130 м. Они чередуются с прослойками грунта, видимо принесенного во время сезонных пылевых бурь. Большинство из обнаруженных ледяных склонов нашлось к востоку от Эллады.
Исследование этих слоев может больше рассказать о климатической истории Марса. Кроме того, теперь ясно, что будущим покорителям Красной планеты не придется добывать воду по примеру героя фантастического фильма «Марсианин» — из ракетного топлива. На местности хватит ведра и лопаты, и воду можно будет использовать как раз для производства топлива и возвращения домой. Правда, средние широты не лучшее место для посадки — слишком холодно.
Серия снимков с разницей в три марсианских года позволила увидеть некоторые изменения в облике обрывов. Видимо, как и в случае с полярными ледниками, процессы таяния продолжаются, и склоны медленно эволюционируют.
Что еще интереснее, все эти замерзшие отложения возникли не миллиарды лет назад, а совсем недавно по геологическим меркам. Если шире взглянуть на некогда заснеженные, а сейчас присыпанные песком и пылью просторы, то можно поразиться их девственной чистоте — метеоритных кратеров почти нет.
Это значит, что период бурной марсианской атмосферы и метелей планетного масштаба закончился совсем недавно. По современным оценкам, приповерхностные ледниковые отложения в средних широтах Марса сформировались 10—20 млн лет назад — для жизни планеты это даже не вчера, а минуту назад. Остается надеяться, что подобное произойдет и в будущем — плотная атмосфера значительно упростила бы процесс колонизации.
В 2018 году у Марса начнет научную работу европейско-российский спутник ExoMars Trace Gas Orbiter. На его борту размещен прибор FREND, который работает по принципу HEND, но с более высоким пространственным разрешением. Он не сможет заглянуть глубже 1 метра в грунт, зато сможет картографировать поверхностные залежи льда с гораздо более высокой точностью, которая позволит подробнее изучить запасы воды на Красной планете и еще точнее планировать будущие автоматические и пилотируемые миссии.