Представление о Марсе как о безжизненной сухой пустыне окончательно ушло в прошлое: современные космические аппараты доказали наличие колоссальных объемов воды, скованной вечной мерзлотой и полярными шапками. В выпуске «Неземного подкаста» астроном Владимир Сурдин подробно разбирает эволюцию марсианского климата, результаты работы орбитальных зондов и марсоходов, а также анализирует физические и химические свидетельства существования древнего океана и потенциальной микробной жизни.
❄️ Ледяные шапки и загадка марсианской воды 1:23
Убежденность в том, что на Марсе присутствует вода, зародилась в астрономии еще в XIX веке . Во время противостояний, когда планета максимально сближается с Землей, даже в небольшой любительский телескоп на ее северном и южном полюсах отчетливо видны белые пятна .
Долгое время ученые спорили о химической природе этих образований. Выдвигались две основные гипотезы:
- Полярные шапки сформированы обычным водяным льдом.
- Шапки представляют собой замерзший углекислый газ (сухой лед), сконденсировавшийся из разреженной марсианской атмосферы .
Современные наблюдения подтвердили, что на полюсах присутствуют оба компонента, сменяющие друг друга в зависимости от сезона . Во время марсианской полярной ночи углекислый газ и водяной пар выпадают в виде снега, формируя обширный сезонный покров сухого льда . С наступлением полярного дня замерзший углекислый газ испаряется обратно в атмосферу, обнажая постоянное ядро из водяного льда .
В центральной части северной полярной шапки толщина водяного ледяного панциря достигает порядка 3 километров, что сопоставимо с ледниковым куполом Антарктиды . Однако твердая фаза воды не обеспечивает условий для биохимических процессов, поэтому ключевой задачей планетологов стал поиск следов воды в средних широтах и на экваторе .
🛰️ Нейтронная разведка: как российские приборы заглянули под грунт 5:45
Исследование подповерхностного слоя Марса вышло на новый уровень благодаря использованию методов ядерной планетологии . Значительный вклад в эти открытия внесли детекторы нейтронов, разработанные в Институте космических исследований (ИКИ РАН) в Москве под руководством доктора физико-математических наук Игоря Митрофанова , .
Принцип работы нейтронного зондирования основан на взаимодействии космических лучей с веществом:
- Поток высокоэнергетических космических протонов врезается в марсианский грунт и выбивает из ядер атомов свободные нейтроны .
- Нейтроны разлетаются во всех направлениях. При столкновении с ядрами тяжелых элементов нейтрон рикошетит практически без потери скорости и регистрируется приборами как «быстрый» .
- При столкновении с протоном (ядром водорода), обладающим практически равной массой, нейтрон отдает примерно половину своей кинетической энергии, замедляясь .
- Поскольку водород входит в состав молекулы воды ($H_2O$), дефицит выходящих быстрых нейтронов и избыток тепловых («медленных») служит прямым индикатором присутствия воды или льда в верхнем метре грунта .
Прибор ДАН («Динамическое альбедо нейтронов»), созданный в ИКИ РАН, много лет успешно работает на борту американского марсохода Curiosity . На орбитальных аппаратах применяется усовершенствованный спектрометр FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) . Прежние орбитальные датчики обладали пространственным разрешением около 300 км, тогда как коллиматор FREND, выполненный в виде сот, сузил поле зрения до пятна диаметром всего 40 км , .
Благодаря этим приборам удалось составить карту вечной мерзлоты и обнаружить следы сдвига древних полюсов . В раннюю геологическую эпоху в северном полушарии Марса сформировалась колоссальная вулканическая провинция Фарсида с 26-километровым вулканом Олимп , . Образование этой гигантской массы привело к перераспределению момента инерции и повороту коры планеты, сместив древние ледоносные полярные регионы практически к современному экватору , .
🌊 Древний Северный океан и архивы кратера Езеро 13:16
Топографические карты Марса продемонстрировали глобальную асимметрию планеты: северное полушарие расположено существенно ниже южного, имеет сглаженный рельеф и практически лишено метеоритных кратеров , . Большинство планетологов сходятся во мнении, что эта гладкая низменность около 4 миллиардов лет назад представляла собой дно обширного Северного океана , .
Площадь марсианского океана была сопоставима с земным Северным Ледовитым океаном . При этом средняя глубина оценивается скромнее земной (3,5 км) — примерно в 300–400 метров, что тем не менее составляло колоссальный объем жидкой воды , .
Прямым свидетельством озерных процессов стал кратер Езеро, где работает марсоход NASA Perseverance . Снимки с орбиты зафиксировали ветвистую структуру древней речной дельты, впадавшей в котловину кратера и напоминающей дельты Волги или Нила , .
Как поясняет Владимир Сурдин, донные озерные осадки служат важнейшим геологическим архивом . В земной науке именно расчет скорости накопления слоев речного ила и песка позволил отказаться от библейских представлений о возрасте Земли в 5000–6000 лет и доказать, что планете миллиарды лет , .
Анализ минерального состава пород в кратере Езеро показал, что грунт подвергался воздействию воды как минимум трижды :
- Первый этап: выход глубинных грунтовых вод, возможно, в форме гидротермальных источников или гейзеров .
- Второй этап: долговременное стояние спокойной озерной воды в стабильном бассейне .
- Третий этап: прорыв горячих минерализованных потоков магматического происхождения сквозь трещины пересохшего дна .
☀️ Куда исчезла вода: гибель магнитного щита и чистота полярного снега 18:42
Главным фактором утраты жидкой воды и плотной атмосферы Марса стал космос . Планета обладала металлическим ядром, однако из-за скромных размеров Марса оно остыло и затвердело . Исчезновение жидкого проводящего слоя остановило работу эффекта динамо, генерировавшего дипольное магнитное поле; о прошлом магнетизме свидетельствует лишь остаточная намагниченность древних пород , .
Лишившись магнитосферы, защищавшей планету от сдувания солнечным ветром, Марс быстро потерял большую часть газовой оболочки , . Это разрушило парниковый эффект. Если на Земле парниковые газы поднимают среднюю температуру на 40 градусов (с расчетных минус 25 °C до комфортных плюс 15 °C), то остаточная атмосфера Марса добавляет поверхности всего 7–8 градусов тепла , . Вода океанов частично улетучилась в космическое пространство, а частично ушла в грунт, образовав глубокую вечную мерзлоту , .
При этом лед в полярных шапках демонстрирует удивительную степень чистоты. Из-за обилия пыли в атмосфере, придающей планете характерный красноватый оттенок за счет поглощения фиолетовой части спектра, инженеры ожидали высокого загрязнения снежного покрова , . Пыль регулярно выводила из строя солнечные батареи аппаратов Spirit, Opportunity, InSight и китайского Zhurong , , .
Расчеты показывали, что полярный снег должен содержать до 22% минеральной пыли . Однако фотометрические замеры отражательной способности льда выявили, что примесь пыли не превышает 0,5% . В отдельных районах, например в заполненном вечным льдом полярном кратере Королёв, доля пыли составляет ничтожные доли процента, что делает этот лед практически чистейшим природным дистиллятом , . В то же время подповерхностный лед экваториальных широт сильно минерализован и насыщен агрессивными солями — перхлоратами .
🏖️ Радар марсохода «Чжужун»: открытие древнего пляжа 28:05
Долгое время гипотеза Северного океана сталкивалась с возражением: предполагаемая береговая линия имела заметные перепады высот в несколько километров, тогда как уровень спокойной воды должен быть строго горизонтальным . Геологи объяснили это последующими тектоническими деформациями коры за прошедшие 4 миллиарда лет .
Окончательное подтверждение береговой линии получил китайский марсоход «Чжужун» (Zhurong), работавший на равнине Утопия с весны 2021 по весну 2022 года . Аппарат был оснащен георадаром, просвечивающим подповерхностные слои на глубину от 30 до 50 метров (в отдельных точках — до 80 метров) , .
Радарные профили выявили классические морфологические признаки береговой зоны земного типа:
- Подповерхностные волноприбойные дюны и валы, формирующиеся при циклическом накате волн .
- Уклон прибрежной террасы, в точности соответствующий углам наклона земных океанических пляжей .
- Характер рассеяния радиоволн показал, что фракция скрытых осадочных зерен составляет от долей миллиметра до 1–2 миллиметров, что типично для пляжного кварцевого песка , .
Древняя береговая линия погребена под 10-метровым чехлом осадочной пыли, что идеально согласуется с расчетной скоростью оседания аэрозолей за 3 миллиарда лет , .
🧗 Долины Маринер: марсианский Байкал и подземные ледники 31:11
Крупнейшим резервуаром замерзшей воды за пределами полярных шапок оказалась гигантская рифтовая система Долин Маринер . Этот тектонический разлом протянулся почти на 4000 километров в длину, достигает 800 километров в ширину и до 8–10 километров в глубину, превосходя земной каньон Байкала во много раз , , .
В древности каньон сообщался с Северным океаном, образуя единую гидрологическую систему . Когда мелководный океан пересох, многокилометровая толща воды в глубоком каньоне сохранялась значительно дольше , .
Российский нейтронный детектор зафиксировал в донном грунте Долин Маринер аномально высокую концентрацию водяного льда: от 15–20% до рекордных 40% по массе в наиболее глубоких впадинах .
Посадка колесных аппаратов на дно столь глубокого каньона пока инженерно невозможна, однако перспективным методом исследования выступают беспилотные летательные аппараты , . Успешный опыт вертолета Ingenuity доказал возможность полетов в атмосфере Марса . Кроме того, многокилометровые вертикальные стены Долин Маринер экранируют космическую радиацию, оставляя открытым только узкий зенитный сектор, что делает дно каньона наиболее привлекательной зоной для поиска следов внеземной жизни , .
💧 Возможна ли жидкая вода на Красной планете сегодня? 34:27
Атмосферное давление на поверхности Марса в 160 раз ниже земного (около 6 миллибар) . В таких термодинамических условиях жидкая фаза чистой воды существовать не может: лед сразу возгоняется в пар, минуя жидкое агрегатное состояние .
Тем не менее на снимках крутых склонов кратеров и оврагов фиксируются сезонные темные полосы (RSL), стекающие вниз весной при прогреве грунта , . Это объясняется сверхвысокой соленостью: растворы перхлоратов магния и кальция действуют как антифриз, снижая температуру замерзания до минус 15–20 °C, однако такой рассол быстро закипает и испаряется , .
Шансы на обнаружение стабильной жидкой воды возрастают с глубиной, где увеличиваются как литостатическое давление, так и температура благодаря геотермальному градиенту , . Радар MARSIS европейского зонда Mars Express зафиксировал под южной полярной шапкой на глубине 1,5 километра область с высокой радиоотражающей способностью, которую первоначально интерпретировали как подледное озеро, аналогичное озеру Восток в Антарктиде , , .
Позднее ученые высказали сомнения: схожий радиоэхо-сигнал могут давать водонасыщенные глины или гидратированные минералы . По оценке Сурдина, микродозы жидкой воды могут стабильно сохраняться в капиллярных каналах скальных пород в верхних сантиметрах грунта, где переохлажденные солевые пленки способны служить средой обитания для экстремофильных бактерий , .
🔬 Органические полимеры и следы микробов: находки Perseverance и судьба миссий 39:12
Для поиска живых микроорганизмов необходимо бурение на глубину 1–2 метра, куда не проникают жесткие космические лучи , . Совместная российско-европейская миссия «ЭкзоМарс» (ExoMars) предполагала доставку марсохода с глубоким буром на российской посадочной платформе «Казачок» в августе 2022 года, однако запуск был отменен по политическим причинам , , . В результате стационарных глубоких буровых комплексов на планете по-прежнему нет .
Тем не менее ровер Perseverance обнаружил косвенные биосигнатуры на поверхности :
- «Маковые зерна» и «леопардовые пятна»: темноокрашенные минеральные ореолы на осадочных породах кратера Езеро .
- Органические цепочки: рамановская спектроскопия и ультрафиолетовая люминесценция подтвердили присутствие длинных углеродных полимеров, структура которых отдаленно напоминает базовые молекулы земной биохимии , .
- Биогенный никель: в западной части кратера Езеро зафиксированы минеральные пласты с аномальным содержанием никеля (более 1% от общей массы породы), ассоциированные с железом, серой и органикой , . Подобные концентрации на Земле формируются исключительно за счет метаболизма бактерий архея и палеопротерозоя , .
Точно установить происхождение этих структур — древняя фоссилизированная жизнь или абиогенный катализ — с помощью полевых приборов марсохода невозможно , . Первоначальный проект NASA Mars Sample Return по доставке отобранных капсул с марсианским грунтом на Землю был отложен из-за колоссальной дороговизны многоступенчатой логистики , , . Китайская программа доставки образцов также потребует длительного времени .
Владимир Сурдин выражает надежду, что в обозримом будущем на Красную планету все же будут отправлены буровые станции, способные извлечь микроорганизмы непосредственно из подповерхностных водоносных слоев .
