Астрономия

Солнце в последние миллиарды лет стало ярче, что позволило Земле сохранить пригодный для сложной жизни климат. Марс, напротив, имел подходящий климат несколько миллиардов лет тому назад, но со временем стал слишком холодным — несмотря на все более жаркие солнечные лучи. Авторы нового исследования предположили, что именно древний теплый климат стал причиной превращения четвертой планеты в холодную пустыню.

На трех из четырех планет земной группы в Солнечной системе ключевую роль в регулировании климата играет углекислый газ. В отличие от водяного пара, он сравнительно устойчив к замерзанию, но тоже хорошо поглощает инфракрасное излучение, согревая планеты. Поэтому давний парадокс молодого теплого Марса — то, что когда-то эта планета была достаточно теплой для рек и морей, а потом стала холодной — уже давно пытались решить, предполагая, что когда-то атмосфера из СО2 там была более плотной, а потом истончилась.

Когда-то утверждали, что причиной стала потеря газа в космос из-за отсутствия магнитного поля. Однако эта гипотеза не выдержала первой же проверки: оказалось, если бы углекислый газ в больших количествах покинул планету, на ней осталась повышенная концентрация тяжелых изотопов углерода. Но этого не наблюдается, то есть главный парниковый компонент атмосферы исчез по другой причине, а никак не из-за магнитного поля.

Теперь международная группа ученых предложила альтернативное объяснение. Они ссылаются на обнаруженные марсоходом Curiosity залежи карбонатов — минералов, содержащих углерод — в районе кратера Гейл. Учтя оцениваемую толщину этих отложений и экстраполировав ее на всю планету, исследователи пришли к выводу, что именно образование этих минералов сделало четвертую планету холодной и, соответственно, сухой. Работу об этом опубликовали в журнале Nature.

Образование карбонатов типа того же CaCO₃ в земных условиях происходит, когда вода с растворенным в ней углекислым газом сталкивается с материалами, содержащими кальций. После образования растворение карбонатов в природных условиях возможно только в сравнительно кислых средах или при существенном давлении. Исследователи представили модель, в которой теплые условия на древнем Марсе были достаточны, чтобы образовать карбонаты, но не создавали ситуаций, когда эти карбонаты могли бы растворяться, отдавая углекислый газ обратно в атмосферу.

В таких условиях образования карбонатов шли «в одни ворота»: они только накапливались, но не растворялись. По расчетам, если условия кратера Гейл, где работал марсоход NASA, достаточно типичны, всего таким образом может быть связано на порядок больше СО2, чем есть в атмосфере Марса сегодня. Без этого планета была бы на десятки градусов теплее. То есть, заключили ученые, периодические теплые периоды на четвертой планете (например, из-за временного улучшения инсоляции) были главной причиной обеднения ее парниковыми газами и последующих похолоданий.

Гипотеза, с одной стороны, выглядит достаточно логичной: в отличие от потери СО2 в космос, образование карбонатов не «отсеивает» легкий углерод из атмосферы планеты, а значит, наблюдаемое соотношение изотопов углерода на Марсе не противоречит карбонатному механизму его выхолаживания.

В то же время исследователи обошли молчанием тот факт, что на Марсе почти нет азота, хотя на Земле его 78 процентов атмосферы. По мнению многих планетологов, поначалу сходная картина была и на четвертой планете. Ранее другие научные группы вычислили, что хотя сам азот не парниковый газ, от его количества в атмосфере сильно изменяется эффективность удержания ИК-излучения СО2. То есть он непрямым образом существенно влияет на парниковый эффект.

Если учесть этот момент, то объяснить феномен превращения теплого и влажного древнего Марса в современную холодную пустыню без прояснения судьбы местного азота проблематично. Интересно, что исследования Curiosity показали высокое содержание нитратов (солей азота) в марсианском грунте, до 1100 частей на миллион в отдельных образцах. То есть трудно исключать, что и эта часть местной атмосферы каким-то образом оказалась химически связанной в грунте.

Дискуссия о причинах превращения четвертой планеты в холодной мир имеет далеко не только академическое значение. SpaceX Илона Маска планирует начать терраформирование Марса. Если в местном грунте действительно много связанного углерода и азота, нагрев планеты всего на несколько градусов может запустить цепную реакцию парникового эффекта. В более теплых условиях карбонаты разлагаются, испуская СО2, а нитраты — испуская азот. В таком случае местная атмосфера будет все лучше удерживать тепло. Авторы отдельных научных работ предполагали, что такой процесс закончится достижением Марсом средней температуры в плюс 15 градусов — как у современной Земли.