Гигантские волны выбрасывают огромные облака атмосферы Марса в космос

Фото из открытых источников

Гигантские волны, поднимаемые солнечным ветром, могут выбрасывать скопления заряженных частиц из верхних слоев атмосферы Марса в космос. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Ветер, дующий над прудом, нагромождает воду в волны. Нечто подобное происходит высоко над Марсом, где ветер представляет собой поток заряженных частиц, исходящих от Солнца. Новое исследование показало, что этот солнечный ветер поднимает верхние слои марсианской атмосферы, превращая их в гигантские волны. Затем эти волны выбрасывают в космос целые скопления заряженных атмосферных частиц.

Команду возглавил Чи Чжан из Центра космической физики Бостонского университета. Исследователи использовали два космических аппарата: один в солнечном ветре, а другой летел сквозь выходящие газы. Насколько эти волны объясняют общую потерю атмосферы Марса, и этот вопрос до сих пор остается открытым.

Земля обладает сильным глобальным магнитным полем, которое защищает её атмосферу от солнечного ветра. Марс такого поля не имеет. Ветер дует прямо в верхние слои атмосферы планеты и постепенно уносит частицы в космос.

Планета потеряла большую часть своей воды, а оставшаяся атмосфера разрежена и состоит в основном из углекислого газа.

«Считается, что когда-то Марс был потенциально обитаемым планетой с более плотной атмосферой и наличием жидкой воды на поверхности», — сказал Чжан. «Понимание того, как планета стала холодной и сухой, какой мы её видим сегодня, важно для понимания того, как эволюционирует планетарная среда с течением времени».

Часть потерь происходит за счет ионов — атомов и молекул в атмосфере, несущих электрический заряд. Ученые нанесли на карту два устойчивых пути выхода для них: шлейф, стекающий с дневной стороны планеты, и второй поток, выходящий через магнитный хвост планеты.

Сегодня утечка ионов удаляет из атмосферы Марса меньше атмосферы, чем другие процессы. Но миллиарды лет назад, под воздействием более сильного солнечного ветра, это, возможно, был основной способ потери планетой газов, составлявших её воздух.

Космические аппараты, нацеленные на Марс, также продолжали фиксировать нечто более хаотичное: короткие вспышки, во время которых целое скопление ионов покидало Землю одновременно. Исследователи называют эти скопления плазменными облаками.

Их происхождение оставалось неясным, поскольку никто не мог одновременно измерить приток солнечного ветра и выброс ионов.

Исследователи предполагали, что солнечный ветер остается стабильным в течение нескольких часов подряд. Это не так: его скорость и магнитное поле постоянно меняются, иногда резко во время таких явлений, как солнечная супербуря.

Китайский орбитальный аппарат «Тяньвэнь-1» достиг Марса в 2021 году и изменил эту ситуацию. В новом исследовании он оставался в солнечном ветре и измерял ветер и его магнитное поле в режиме реального времени.

Тем временем орбитальный аппарат НАСА MAVEN приблизился к атмосфере и обнаружил ионы, покидающие её.

В период с декабря 2021 по декабрь 2023 года группа исследователей обнаружила 62 случая образования плазменных облаков в перекрывающихся записях. Из них 46 возникли в виде «поездов», а 16 — в одиночку.

Во время одного из событий в июле 2023 года новое облако проносилось мимо MAVEN примерно каждые две минуты.

Когда два потока вещества скользят друг относительно друга с разной скоростью, граница между ними образует рябь и изгиб. Именно это происходит там, где быстрый солнечный ветер обрушивается на более медленные и тяжелые ионы в верхней части атмосферы Марса. Физики называют эти волны волнами Кельвина-Гельмгольца.

Каждое облако демонстрировало признаки, соответствующие этим волнам. Частицы солнечного ветра закручивались внутри него, и давление в его центре падало. На стороне, обращенной к ветру, каждое облако заканчивалось острым, сжатым краем – признаком, как сообщила команда, того, что волны значительно усилились, выйдя за рамки легкой ряби.

Для одной из волновых групп команда оценила расстояние от гребня до гребня примерно в 8750 километров — это больше, чем ширина самого Марса.

Волны образовались только с одной стороны планеты. Движущийся солнечный ветер создает электрическое поле вокруг Марса. Все 62 события произошли на той стороне, где это поле направлено к планете, и команда не обнаружила ни одного события на противоположной стороне. Там ветер и ионы планеты скользят друг относительно друга быстрее, а магнитное поле слабее. Оба этих условия способствуют росту волн.

Внутри облаков поток ионов, вырывающихся из атмосферы Марса, был в 10-100 раз сильнее, чем в любом из двух стационарных каналов. Это исследование также впервые устанавливает прямое ограничение на размер облака. В ходе одного из мероприятий MAVEN пролетел сквозь облако, которое аппарат Tianwen-1, находившийся примерно в 1900 километрах от него, так и не зарегистрировал.

Это облако должно было быть меньше, чем зазор между двумя космическими аппаратами. Ранее, по оценкам, полученным с помощью одного космического аппарата, радиус облаков в несколько раз превышал радиус Марса.

Эти волны могут сохраняться длительное время. Облака появились на орбитах MAVEN непосредственно перед и сразу после события в июле 2023 года. Это позволяет предположить, что волны могут продолжать формироваться как минимум восемь часов подряд.

Исходя из простого предположения о форме каждого облака, команда также приблизительно оценила общее количество. Вместе эти облака способны уносить ионы примерно с той же скоростью, что и магнитный хвост галактики, и примерно в 10 раз быстрее, чем выбросы на дневной стороне.

Продолжительность существования каждого облака до сих пор неизвестна. Космический аппарат не может оставаться на границе, где образуются волны; он пролетает мимо неё по своей орбите.

Приблизительная оценка, полученная командой, зависит от точности предположения о форме облаков, лежащего в её основе, поэтому полная доля потерь газа на Марсе, обусловленная этими волнами, ещё не измерена.

«Мы хотим выяснить, когда эти волны с наибольшей вероятностью образуются, как они развиваются и насколько сильно они могут способствовать утечке из атмосферы», — сказал соавтор исследования Чуаньфэй Донг из Бостонского университета. «Этот процесс может происходить и на других планетах, не обладающих сильным магнитным полем, включая некоторые экзопланеты».

Для получения этих ответов потребуются дополнительные наблюдения с помощью космических аппаратов и новые компьютерные модели. НАСА официально завершило миссию MAVEN в июне 2026 года после того, как за несколько месяцев до этого связь с космическим аппаратом была потеряна.

Чжан заявил, что миссия НАСА ESCAPADE, запущенная в ноябре 2025 года, предоставит новую возможность изучить, как солнечный ветер приводит к потере атмосферы на Марсе. Когда в 2027 году два космических аппарата-близнеца достигнут планеты, собранная этой командой на основе данных отдельных миссий информация с двух точек зрения будет учтена с самого начала.