Облако на Марсе длиной 1600 км рождается без пылинок

Почти каждое утро над южным экватором Марса из ничего вытягивается белая лента длиной в тысячу миль, то есть около 1600 километров, а через несколько часов от неё не остаётся и следа. Орбитальные камеры наблюдают это явление уже несколько лет, но объяснить его удалось только теперь, и ответ оказался неожиданным: чтобы воспроизвести облако на компьютере, учёным пришлось добавить в модель физику, которую учебники считают чисто теоретической.

Фото: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO, Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mars_Express_views_the_most_striking_cloud_on_Mars_ESA529180.jpg). На снимке: часть облака у вулкана Арсия, кадр камеры HRSC зонда Mars Express, на нём видна лишь часть ленты

Лента над вулканом, которая живёт несколько часов

Загадочное образование получило название Arsia Mons Elongated Cloud, сокращённо AMEC, что можно перевести как «вытянутое облако горы Арсия». Оно возникает над вулканом Арсия, который стоит в области Фарсида, чуть южнее марсианского экватора. Высоту горы указывают по-разному: в источнике этой новости говорится о 20 километрах, в Википедии вершина стоит на 11,7 километра, а над окружающими равнинами гора поднимается более чем на 9 километров. Цифры расходятся, скорее всего, из-за разных точек отсчёта. В любом случае это один из самых больших вулканов Солнечной системы, по объёму уступающий только горе Олимп.

Длина облака достигает примерно 1600 километров, а в максимуме около 1800 километров. Это порядка одной двенадцатой окружности всей планеты и примерно расстояние от Нью-Йорка до Майами.

Облако обнаружил зонд Европейского космического агентства Mars Express (источники называют 2018 год), и оно появляется почти каждое утро в марсианскую весну и лето. Именно тогда возрастает солнечная радиация и на поверхности поднимаются сильные ветры. Но жизнь у облака короткая: оно держится лишь несколько часов, после чего полностью испаряется, а наутро возникает снова.

Почему такое облако вообще редкость

Марс почти лишён водяного пара в атмосфере. Пылевых бурь там хватает, иногда над планетой видны и тонкие полосы из углекислого газа, но пушистые облака земного типа почти не встречаются. Поэтому гигантская водяная лента, да ещё такая правильная и повторяющаяся, долго оставалась необъяснимой.

По своему типу AMEC относится к орографическим облакам. Так называют облака, которые образуются, когда сильный ветер толкает влажный воздух вверх по склону горы. На Земле похожее явление можно увидеть над Гибралтарской скалой: облако, которое называют «Леванте», иногда формируется над ней. Однако механизм у марсианского облака оказался совсем иным.

Земные облака формируются благодаря так называемой гетерогенной нуклеации. Влажный воздух остывает, и водяной пар превращается в кристаллики льда, которые нарастают вокруг мельчайших частиц: пыли, морской соли, пыльцы или сажи. Без таких «затравок» облако на Земле просто не образуется. На Марсе пыли много, и логично было бы предположить такую же схему, но модели с ней не работали.

Что показали новые расчёты

Результаты опубликовал в среду, 7 октября, журнал Nature Geoscience. Команда исследователей взяла данные Mars Express и построила новые компьютерные модели. Сначала воспроизвести облако не получалось вообще. Учёные отказались от традиционных метеорологических принципов в пользу менее очевидного объяснения, и тогда модель наконец заработала.

Первый автор работы Хорхе Эрнандес-Бернал, планетолог из Университета Страны Басков в Испании, а на момент исследования связанный с парижской Сорбонной, объяснил это так.

Чтобы создать AMEC в нашем моделировании, нам понадобилась экзотическая физика. Она есть в учебниках, но считается теоретической и обычно не встречается в природе. Когда мы добавили её в расчёты, облако появилось именно таким, как мы надеялись.

Речь идёт о гомогенной нуклеации. Это процесс, при котором водяной пар сразу превращается в частицы льда, без пылинок и каких-либо других посредников. По словам Эрнандеса-Бернала, он напоминает появление капель конденсата посреди комнаты, а не на оконном стекле. Исследователь изучает AMEC уже около шести лет и называет результат совершенно неожиданным. Авторы подчёркивают, что ни в одной планетной атмосфере такой процесс раньше не наблюдали.

Влажность в сто тысяч раз выше обычной

Гомогенную нуклеацию предсказывали и раньше. Теоретики допускали, что она возможна в верхних слоях земной атмосферы или в небе Венеры. Но на практике её считали маловероятной: для неё нужна влажность примерно в сто тысяч раз выше той, что бывает у поверхности Земли. Для почти безводного Марса это звучит как приговор гипотезе.

Данные Mars Express говорят иное. Ветер поднимается по склонам Арсии, которая по верхней оценке высоты более чем вдвое выше Эвереста, и образует мощную волну, которая забрасывает воздух в верхние слои атмосферы с огромной скоростью. Расчёты показывают, что температура этого воздуха может упасть на 30 градусов Цельсия всего за 10 минут. Столь резкое охлаждение не только облегчает замерзание, но и сильно повышает относительную влажность внутри волны, а этого достаточно, чтобы запустить гомогенную нуклеацию.

Остаётся вопрос, откуда берётся вода. Часть её уже содержится в атмосфере, но, как предполагают исследователи, часть может поступать с вершины Арсии, которая покрыта толстым слоем инея. Сама гора вообще богата сюрпризами: на её склонах нашли признаки ледников, а ещё в 2007 году по спутниковым снимкам выделили семь возможных входов в пещеры, похожих на провалы в потолках лавовых тоннелей.

Орбитальный наблюдатель, который не сдаётся

Без Mars Express это открытие было бы невозможным. Аппарат стартовал с Байконура 2 июня 2003 года на ракете «Союз-ФГ» с разгонным блоком «Фрегат» и вышел на орбиту Марса 25 декабря 2003 года. Для картографирования облака команда использовала сразу три прибора: камеру наблюдения VMC, стереокамеру высокого разрешения HRSC и спектрометр OMEGA. Они показали, как облако возникает и развивается в течение суток. Кроме того, это один из немногих марсианских аппаратов, которые видят Арсию при дневном свете.

Интересно, что камера VMC изначально была совсем не научным инструментом: её установили, чтобы следить за отделением посадочного модуля Beagle 2. Позднее её вернули в строй, и теперь она помогает вести наблюдения за атмосферой. Миссию Mars Express неоднократно продлевали. В 2023 году решили, что работа гарантированно продлится до конца 2026 года, а предварительно планируется до конца 2028 года.

Mars Express открыл AMEC, годами следил за ним и теперь помогает раскрыть секреты его образования.

Эти слова принадлежат Колину Уилсону, научному руководителю проекта Mars Express, который в новом исследовании не участвовал. Эрнандес-Бернал же отметил, что об атмосфере Марса известно гораздо меньше, чем о земной, поэтому столь точное воспроизведение облака стало большим успехом для модели.

Чему учит марсианское облако

Практический вывод шире одного облака. Погодные системы других миров подчиняются тем же базовым законам, но ведут себя иначе, чем на Земле. Это важно для изучения Солнечной системы и для поиска жизни на далёких экзопланетах: если на Марсе облако способно обходиться без пылинок, то и климат неизвестных миров может строиться по необычным схемам.

Уилсон сформулировал это так: хотя облака на Земле и Марсе подчиняются одним и тем же правилам, для понимания этого необычного облака потребовалась необычная физика, и то же самое может оказаться верным в других уголках космоса. Пока остаётся загадкой, насколько часто гомогенная нуклеация встречается за пределами Марса, и именно этот вопрос теперь выходит на первый план для планетологов.

• Длина: около 1600 километров, в максимуме до 1800.
• Продолжительность жизни: несколько часов за утро.
• Сезон: марсианские весна и лето.
• Механизм: гомогенная нуклеация, пар превращается в лёд без пылинок.