Измерение темпов потери газов из верхней атмосферы Марса, проведенное КА MAVEN, позволило определить процесс, приведший к утрате Красной планетой плотной атмосферы и воды. Как оказалось, ключевую роль здесь играет резкое ускорение диссипации атмосферы во время корональных выбросов и мощных солнечных вспышек.


Солнечный ветер, обтекая Марс, формирует головную ударную волну.
В настоящее время Марс – сухая холодная планета с разреженной атмосферой. На большей части поверхности атмосферное давление ниже тройной точки воды, это приводит к тому, что существование жидкой воды на поверхности Красной планеты невозможно (в глубоких долинах давление выше, но и там вода закипает уже при температуре в несколько градусов выше нуля по Цельсию). Однако рельеф Марса несет явные следы воздействия мощных водных потоков. Когда-то на поверхности Марса текли реки и плескались озера, и условия в этих озерах были благоприятны для развития примитивных форм жизни. Что же произошло с Красной планетой, каким образом ее сравнительно теплый и влажный климат сменился тем холодным и сухим климатом, который мы видим сейчас?

Для изучения эволюции марсианской атмосферы был запущен космический аппарат NASA MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution = Атмосфера Марса и эволюция летучих). Космический аппарат измерил темпы потери атмосферных газов как в «спокойном» состоянии, так и во время мощных солнечных вспышек и корональных выбросов.

В отличие от Земли Марс практически лишен магнитного поля, и частицы солнечного ветра беспрепятственно бомбардируют верхнюю атмосферу планеты. В результате взаимодействия солнечного ветра с верхней атмосферой формируется ударная волна. В области ударной волны наводятся мощные электрические поля, которые разгоняют атмосферные ионы и выбрасывают их в космос. Примерно 75% ионов покидают Марс через «хвост» (область за Марсом, где ионы солнечного ветра удаляются от планеты), а еще 25% – через полярные плюмы (потоки).

Видеоролик, иллюстрирующий взаимодействие марсианской атмосферы с солнечным ветром и убегание в космос атмосферных ионов:




Как оказалось, в современную эпоху при взаимодействии со «спокойным» солнечным ветром Марс теряет ежесекундно около 100 граммов своей атмосферы (или ~9 тонн в сутки). Это слишком мало, чтобы объяснить потерю плотной атмосферы даже за миллиарды лет.

Однако в марте 2015 года ситуация в значительной мере прояснилась. В этот период на верхнюю атмосферу Марса обрушилась серия мощных солнечных штормов (корональных выбросов). Из-за повысившихся плотности и давления солнечного ветра ударная волна погрузилась глубже в марсианскую атмосферу, и ее внутренний край достиг ионосферы. Это привело к резкому увеличению темпов потери атмосферных газов.

В первые миллиарды лет существования Солнечной системы активность Солнца была много выше, чем сейчас. Мощные солнечные вспышки и корональные выбросы происходили гораздо чаще и сопровождались выделением большего количества энергии, а солнечный ветер был более интенсивным и плотным. Соответственно, темпы потери марсианской атмосферы многократно превышали современные. По всей видимости, основная утрата Марсом своей атмосферы произошла в период 4.2-3.7 млрд. лет назад.

Источники: http://solarsystem.nasa.gov/news/2015/11/05/nasa-m...d-stripping-martian-atmosphere
http://svs.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/details.cgi?aid=4393
http://www.nasa.gov/index.html#.UgNdc5KGHIM
http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/agu/issue/1...40thAnniversary%28VI%29MAVEN1/
Перевод: http://stp.cosmos.ru/index.php?id=1137&tx_ttnews[t...d3325b9adb7d481d840751c2be19ca

Профессор Олег Вайсберг: «Явление атмосферных потерь Марсом под влиянием солнечного ветра не является новостью для научного сообщества»

Результаты MAVEN комментирует профессор Олег Вайсберг, главный научный сотрудник лаборатории солнечного ветра Института космических исследований РАН. Олег Леонидович — автор многих экспериментов по изучению взаимодействия солнечного ветра с Марсом на межпланетных станциях СССР, в ходе которых стало понятно, как Марс теряет свою атмосферу под действием солнечного ветра.

«Пресс-конференция НАСА была сконцентрирована на роли солнечного ветра — потока заряженных частиц от Солнца — в эволюции атмосферы Марса и связанной с ней потерей воды. Измерения потока атмосферных ионов, которые уносит поток солнечного ветра, обдувающий планету, позволило оценить величину потерь атмосферы Марса в 100 г в секунду. Если сравнить эту величину с массой современной атмосферы Марса, то можно утверждать, что за миллиарды лет, прошедших со времени образования солнечной системы, Марс потерял большую часть своей атмосфера, а вместе с нею и воды.

Учитывая большое внимание к Марсу в настоящее время и перспективу колонизации Марса вполне понятно широкое освещение результатов американских исследований. НАСА вообще уделяет большое внимание пропаганде космических исследований и своих результатов, что обеспечивает большую поддержку населения космической программы и, в частности, научных исследований, и значительное финансирование научной программы. Американская программа исследования Солнечной системы, нашего «большого дома», от Меркурия до Плутона и дальше, производит большое впечатление, и надо поздравить американских ученых и инженеров с успехом этих фундаментальных исследований.

Но надо помнить, что внимание к Марсу и его атмосфере не является чем-то новым. В 1970-х годах на орбите спутников Марса первыми стали советские межпланетные станции «Марс-2», «Марс-3» и «Марс-5». На этих спутниках были и приборы для исследования взаимодействия солнечного ветра с Марсом. Была открыта магнитосфера Марса и зарегистрирован поток атмосферных ионов, уносимых солнечным ветром. Уже тогда мы с моим молодым коллегой Анатолием Богдановым, также работающим в Институте космических исследований РАН (ИКИ РАН), опубликовали эти результаты [1] и сделали вывод, что измеренный нами поток уносимых солнечным ветром ионов настолько велик, что он привел к большим потерям марсианской атмосферы за время существования планеты. По нашим оценкам на «Марсе-5», темп потери вещества из атмосферы (речь шла о тяжелых ионах — элементах тяжелее водорода) составлял около 250 г в секунду.


Пограничный слой ускользающих атмосферных ионов в магнитосфере Марса по измерениям на “Марсе-2, -3 и -5” в 1971-1974 годах. По осям отложено расстояние от центра планеты. Из статьи [1].

Наши результаты были подтверждены в экспериментах на советском спутнике Марса «Фобос-2» в 1988 г., а также на спутнике Марса Mars Express Европейского космического агентства (ЕКА). Результаты многолетних исследований атмосферных потерь Марсом обобщены в работе, недавно опубликованной в журнале Planetary and Space Science.

В 1984 г. мы вместе с Львом Зеленым, ныне директором ИКИ РАН, а тогда молодым сотрудником ИКИ, разработали и опубликовали модель взаимодействия солнечного ветра с атмосферой планеты без собственного магнитного поля (это и Венера и Марс) [2]. При этом мы в большой мере полагались на наши же эксперименты на советских спутниках этих планет. В этой модели мы объяснили физический механизм, который приводит к захвату атмосферных ионов потоком солнечного ветра. Мы также предсказали образование специфической плазменной оболочки кометы благодаря исследованному нами механизму, что полностью подтвердилось при пролете советских космических аппаратов вблизи кометы Галлея в 1986 г. Так что явление атмосферных потерь Марсом благодаря влиянию солнечного ветра и их роль в эволюции атмосферы Марса не являются новыми для научного сообщества, и очень жаль, что во время пресс-конференции коллеги не сочли нужным сослаться на более ранние результаты.


Модель взаимодействия солнечного ветра с атмосферой немагнитной планеты (на рисунке — Венеры). Стрелками показано, как планетарные ионы захватываются магнитным полем солнечного ветра и ускользают через образованный при этом магнитный хвост [2].

Радуясь успехам наших американских коллег, я не могу не пожалеть, что в результате потерь отечественных космических аппаратов «Марс-96» (1996 г.) и «Фобос-Грунт» (2011 г.) и отсутствия конкретных планов запуска российского космического аппарата к Марсу российские ученые пока ограниченно участвуют в важнейшей практической работе в исследовании Марса. Мы надеемся, что у них вскоре появится радостная возможность «пощупать» новые данные, полученные на российских межпланетных станциях».

[1] О.Л. Вайсберг, А.В.Богданов, В.Н.Смирнов и С.А.Романов. Первые результаты измерений потоков ионов прибором «РИЭП-2801 М» на АМС «МАРС-4» и «МАРС-5». Космические исследования, т. XIII, Вып. 1, 1975

[2] O.L.Vaisberg and L.M.Zelenyi, Formation of the Plasma Mantle in the Venusian Magnetosphere, Icarus, Vol. 58, 412-430, 1984

Источник: пресс-центр ИКИ РАН http://press.cosmos.ru/professor-oleg-vaisberg-yavlenie-atmosfernyh-poter-marsom