Примерно каждые 2 земных года, когда на южном полушарии Марса наступает лето, водяной пар поднимается из нижней в верхнюю марсианскую атмосферу.

Там ветры переносят водяной пар к северному полюсу. Часть его распадается и уходит в космос, другая часть опускается на поверхность около полюсов. Исследователи из Московского физико-технического института и Института исследований солнечной системы им. Макса Планка в Германии описывают этот необычный марсианский круговорот воды в текущем выпуске Geophysical Research Letters. Их компьютерное моделирование показывает, как водяной пар преодолевает барьер холодного воздуха в средней атмосфере Марса и достигает более высоких слоев. Это может объяснить, почему Марс, в отличие от Земли, потерял большую часть своей воды.

Миллиарды лет назад Марс был планетой, богатой водой в реках и даже океане. С тех пор наша соседка сильно изменилась. Сегодня в грунте существует лишь небольшое количество замерзшей воды; в атмосфере встречаются только следы водяного пара. Планета потеряла как минимум 80% первоначальной воды. В верхних слоях атмосферы Марса ультрафиолетовое излучение Солнца расщепляет молекулы воды на водород (H) и гидроксильные радикалы (OH). Оттуда водород безвозвратно улетел в космос. Измерения с помощью космических зондов и космических телескопов показывают, что даже сегодня вода все еще покидает Марс таким образом. Но как это возможно? Слой средней атмосферы Марса, как и тропопауза Земли, должен фактически остановить потерю водяного пара. Как он достигает верхних слоев воздуха?

В своих симуляциях российские и немецкие ученые нашли ранее неизвестный механизм, напоминающий насос. Их модель всесторонне описывает потоки во всей газовой оболочке, окружающей Марс, от поверхности до высоты 160 километров. Расчеты показывают, что обычно ледяные средние слои атмосферы становятся проницаемыми для водяного пара 2 раза в день, но только в определенном месте и в определенное время года.

Орбита Марса играет в этом решающую роль. Его путь вокруг Солнца, длящийся около двух земных лет, намного более эллиптический, чем у Земли. В точке, ближайшей к Солнцу (что примерно совпадает с летом в южном полушарии), Марс находится примерно на 42 миллиона километров ближе к Солнцу, чем в его самой дальней точке. Поэтому лето в южном полушарии заметно теплее, чем лето в северном полушарии.

Когда в южном полушарии наступает лето, в определенное время дня водяной пар может подниматься локально с более теплыми воздушными массами и достигать верхних слоев атмосферы. В верхних слоях атмосферы воздушные потоки переносят пар к северному полюсу, где он снова охлаждается и опускается. Но часть водяного пара выходит из этого цикла: под воздействием солнечного излучения молекулы воды распадаются, а водород улетает в космос.

Еще одна марсианская особенность может усилить этот необычный гидрологический цикл: огромные пылевые бури, которые охватывают всю планету с интервалами в несколько лет. Последние бури произошли в 2018 и 2007 годах и были всесторонне задокументированы космическими зондами на орбите Марса. Количество пыли, циркулирующей в атмосфере во время такой бури, облегчает перенос водяного пара в верхние слои атмосферы.

Исследователи подсчитали, что во время пылевой бури 2007 года в верхние слои атмосферы попало вдвое больше водяного пара, чем без шторма в южном полушарии. Частицы пыли поглощают солнечный свет, нагреваются, температура во всей атмосфере повышается до 30 градусов. «Наша модель показывает, как пыль в атмосфере влияет на микрофизические процессы, связанные с превращением льда в водяной пар», — объясняет Дмитрий Шапошников из Московского физико-технического института, первый автор нового исследования.

Марсианская атмосфера более проницаема для водяного пара, чем атмосфера Земли. Новый сезонный круговорот воды в значительной степени способствует продолжающейся потере воды на Марсе.