Проблема изменения климата

Низкое атмосферное давление и низкая температура не позволяют существовать на поверхности Марса воде в жидком состоянии. При давлении 6,1 мбар вода кипит и быстро испаряется при любой температуре. В результате на планете невозможны водоемы — моря, озера, реки и т. д.

В то же время на Марсе обнаружено огромное количество признаков существования значительных количеств жидкой воды в прошлом. Сохранились сухие русла с притоками и долины, потеки на склонах кратеров и другие водно-эрозионные образования. Посадочные аппараты показали наличие минералов, которые образуются лишь при участии воды, сухие русла ручьев и речек, сцементированные и окатанные водой камешки в руслах. Похоже, водой были заполнены многие древние плоскодонные ударные кратеры. Расчеты показывают, что весь марсианский лед, будучи растопленным, мог бы заполнить океан равномерным слоем порядка десятков (по некоторым оценкам, до 140) метров на всей поверхности планеты. На Марсе налицо огромные запасы воды в виде льда, накопленные в полярных шапках, а также огромные (пока окончательно не оцененные) запасы льда в грунте в виде вечной мерзлоты. Вероятнее всего, единого океана на Марсе никогда не было, но многочисленные водоемы (океан на территории Великой Северной равнины, моря, озера, реки, проливы), несомненно, существовали 3 млрд лет назад.

Рис. 8.7. Русла древних рек на Марсе (Фото: «Mars Express», ЕКА).

Рис. 8.8. Замерзшее море на Марсе (Фото: «Mars Express», ЕКА).

Рис. 8.9. Замерзшее озеро внутри кратера на Марсе (Фото: «Mars Express», ЕКА).

Рис. 8.10. На дне многих ударных кратеров лежит лед (Фото: «Mars Express», ЕКА).

Таким образом, многочисленные факты говорят о том, что в далеком прошлом климатические условия на Марсе существенно отличались от современных. Очевидно, тогда и атмосферное давление, и температура были значительно выше, чем сейчас. Следовательно, некая глобальная климатическая катастрофа существенно изменила условия на планете.

Активные комплексные исследования поверхности Марса с борта искусственных спутников планеты и самоходных аппаратов (роверов) позволили достаточно уверенно восстановить основные этапы геологической истории планеты.

Марс сформировался, как и другие планеты Солнечной системы, 4,6 млрд лет назад из множества планетезималей — каменных, железных и ледяных тел, сконденсировавшихся из вещества газово-пылевой туманности размером от одного до сотен километров. Первоначально поверхность планеты представляла собой океан расплавленного вещества — магмы, нагретого благодаря кинетической энергии соударений планетезималей.

Нойский (Ноахидский) период (4,1 — 3,7 млрд лет назад). Эту эпоху в Солнечной системе называют периодом поздней тяжелой бомбардировки. Планеты уже сформировались, но столкновения еще продолжались. Внутренние области Солнечной системы были наполнены огромным количеством небесных тел. «Снеговая линия» — температурная граница, разделяющая каменистые и металлические тела от тел с большим содержанием замерзших газов, включая воду, проходила вблизи орбиты Марса (во времена молодого Солнца, светимость которого была меньше современной, она была еще ближе к Солнцу). Это означает, что в рассматриваемый период с молодым Марсом регулярно сталкивались многочисленные астероиды, в том числе и тела с высоким содержанием льда. Кинетическая энергия падающих тел переходила в тепло, испарявшиеся летучие вещества формировали плотную теплую атмосферу, вместо открытых резервуаров с магмой постепенно формировалась гидросфера. Росту температуры способствовали и извержения вулканов, прежде всего в области Фарсида, образовавшейся в Нойский период. Тогда в результате катастрофического удара астероида возникла равнина Эллада. Формирование Долин Маринера также относится к этой эпохе.

Климат молодого Марса был влажным и теплым, существовал круговорот воды, подобный земному (на поверхности Марса обнаружены типичные следы древних сильных дождей). Пониженные формы рельефа в северном полушарии были заняты океаном глубиной порядка 100 м (береговая линия образовалась примерно в то же время, что и нагорье Фарсида). Согласно существующим оценкам, объем марсианского океана сопоставим с современным объемом Северного Ледовитого океана на Земле. В повышенных формах рельефа южного полушария формировались речные долины. Здесь тоже были моря — так, например, съемки с высоким разрешением, выполненные спутником.

«Mars Reconnaissance Orbiter» (MRO), позволили обнаружить следы моря с объемом, в 10 раз превышающим суммарный объем Великих Американских озер. Море было заполнено соленой минерализованной водой ареотермальных (от слова Арес — греческого названия Марса) источников.

Данные исследований показывают, что океан сформировался более 3,7 млрд лет тому назад, а Аравийская равнина, заполненная водой (древний Аравийский океан), возникла на сотни миллионов лет раньше, чем Фарсида.

На снимках с орбиты видно, что некоторые сухие извилистые русла несут на себе явные следы длительных течений с намытыми отмелями, т. е. это были не кратковременные течения, например, растопленного ударами астероидов льда, хотя такие события тоже имели место. В целом условия на Марсе в Нойский период можно считать близкими к земным в ту же эпоху. Этому, видимо, способствовал заметный парниковый эффект благодаря вулканическим парниковым газам, водяному пару и углекислому газу, присутствовавшим в плотной древней атмосфере.

Гесперийский период (3,7 — 2,9 млрд лет назад). В эту эпоху климат Марса пережил глобальные катастрофические изменения. Постоянное поступление тепла за счет регулярных импактных событий прекратилось (такие события стали происходить значительно реже). По этой и, возможно, другим причинам (например, гипотетическое изменение наклона оси вращения Марса) температура стала падать, в результате чего замерзли водоемы, прекратились дожди, начали формироваться обширные зоны вечной мерзлоты и полярные шапки. В этот период формировались гигантские долины — вероятно, под воздействием прорыва огромных объемов воды под давлением нарастающих пластов льда. Не исключено, что подобные явления происходили под влиянием редких падений крупных астероидов, с которыми связывают особенности рельефа, напоминающие следы мощных цунами. Относительно теплые регионы (оазисы) в этот период могли сохраняться вблизи ареотермальных зон тектонической и вулканической активности, например, вблизи областей Фарсида, Элизиум или патеры Альба.

Рассматривается также гипотеза о том, что во время эпизодов потепления могли взрывообразно освобождаться запасы метана в клатратах из-под ледовых щитов, что, благодаря парниковым свойствам метана, дополнительно повышало температуру на периоды порядка ста тысяч — миллиона лет. Эта гипотеза требует подтверждения.

Несмотря на эпизоды временного потепления, происходившие в Гесперийский период, атмосфера Марса необратимо теряла водяной пар, превращавшийся в снег и лед, а с ним и парниковые свойства. Над полюсами во время полярных ночей происходило вымораживание углекислого газа с его осаждением в полярных шапках, что резко уменьшало плотность и давление атмосферного газа, как и парниковые свойства атмосферы, а значит, падение температуры продолжалось.

Амазонийский период (от 2,9 млрд лет до наших дней). В эту эпоху эндогенная активность Марса уменьшается, завершается эпоха мощных извержений гигантских вулканов, с поверхности планеты окончательно исчезает жидкая вода. Климат становится холодным и сухим.

Во время эпизодических потеплений, связанных, вероятно, с редким падением крупных астероидов либо активизацией вулканической деятельности, на поверхности планеты сформировались ледники. Есть указания на то, что один из таких эпизодов мог произойти сравнительно недавно — около 110 млн лет назад (следы таяния льдов в умеренных широтах северного полушария).

Основная часть углекислотной атмосферы в эту эпоху перешла в замороженное состояние, сформировав огромные полярные шапки Марса. Даже незначительные (по отношению к общей массе полярных шапок) сезонные переходы части двуокиси углерода из атмосферы в полярные шапки и обратно заметно изменяют атмосферное давление.

Рис. 8.11. Выпавший снег на поверхности Марса (посадочный аппарат «Viking», NASA).

Что касается воды, то она сегодня по-прежнему присутствует на планете. Огромные запасы воды в замороженном состоянии находятся в грунте в виде вечной мерзлоты и, возможно, грунтовых вод. Дистанционные измерения с борта искусственных спутников Марса показали, что содержание водяного льда в поверхностных слоях грунта достигает 50%. Кроме того, обнаружены ледники, замерзшие «озера» (ледяные линзы на дне кратеров) и даже небольшие остаточные ледяные «моря» (см. рис. 8.4). Большое количество льда сохраняется в полярных шапках, причем в отличие от углекислоты, которая в ходе сублимации (перехода в пар, минуя жидкое состояние) может частично переходить в атмосферу, водяной лед никогда не тает и почти не сублимирует Что могло изменить условия на Марсе? Существует несколько версий по этому поводу. Первоначально рассматривались следующие основные гипотезы, которые связывали климатическую катастрофу с существенными изменениями как параметров орбиты планеты, так и параметров ее вращения. Кроме того, анализировались возможные изменения положения оси вращения Марса относительно самой планеты, либо даже смещение всей коры Марса относительно нижележащих мантийных слоев.

Первая из гипотез рассматривает влияние так называемых циклов Миланковича. Сербский исследователь Милутин Миланкович в 1930;ые гг. показал, что могут существовать периодические изменения эксцентриситета орбиты Земли под влиянием гравитационного воздействия Солнца и планет.

Период циклов Миланковича составляет десятки тысяч лет. Изменения, связанные с влиянием циклов Миланковича, согласно общепринятым представлениям, вызывают долговременные климатические изменения на Земле с характерным периодом в десятки тысяч лет. Что касается Марса, то для него циклы Миланковича должны проявляться в значительно большей степени, чем для Земли: сильнее меняется эксцентриситет орбиты. В то же время имеющиеся данные показывают, что климатическая катастрофа на Марсе произошла по крайней мере миллиарды лет назад, после чего климат, как минимум, на протяжении всего Амазонийского периода радикально не менялся. Поэтому связь сравнительно высокочастотных изменений параметров орбиты и древнего единичного события выглядит неубедительной — с оговоркой, что однажды такое изменение могло сыграть роль триггера либо дополнительного фактора и перевести климатическую систему Марса в новое состояние без возвращения к прежнему.

Согласно второй гипотезе, гравитационные возмущения со стороны Солнца и других планет могут вызывать периодические изменения утла между осью вращения планеты и нормалью к плоскости орбиты (согласно некоторым данным, для Земли — на 4°). Для Марса это фактор должен быть существенно больше ввиду отсутствия стабилизирующего влияния крупного спутника (крупных спутников у Марса нет). Расчеты, выполненные в 1993 г. Ласкаром и Робутелом, показали, что в определенном диапазоне периодов вращения вокруг своей оси положение оси вращения Марса могло испытывать регулярные хаотические колебания в огромных пределах — от 0 до 60°!

Климатическая катастрофа, согласно этой гипотезе, могла быть связана с очередным изменением оси вращения Марса, в результате чего водоемы оказались в холодной зоне высоких широт и начали замерзать. Уменьшение концентрации водяного пара в атмосфере должно было привести к лавинообразному похолоданию, формированию мощных полярных шапок, последующему вымерзанию атмосферного углекислого газа во время полярных ночей и дальнейшему уменьшению давления. Спусковым крючком могли быть непрозрачные тучи из выброшенных в атмосферу вулканических аэрозолей, перекрывавших путь солнечным лучам к поверхности планеты. Эти изменения могли оказаться необратимыми: если позднее положение оси вращения Марса снова изменилось, замерзшие вода и углекислота остались по-прежнему в твердом состоянии.

Рис. 8.12. Ландшафт Марса внутри гигантского кратера Гейл (марсоход «Curiosity», NASA).

Свидетельством в пользу гипотезы изменений положения оси вращения Марса явилось исследование выхода на поверхность обнажившихся в результате выветривания пластов породы на внутреннем склоне кратера Беккерель. Толщина слоев отражает продолжительность климатических эпох на планете. Оказалось, что каждый десятый слой отличается по толщине от всех предыдущих. Факт может быть интерпретирован как следствие периодических изменений положения оси вращения по сложному закону, представляющему собой результат наложения нескольких циклов разной длительности. Каждый десятый период больше других по амплитуде величины отклонения оси вращения планеты от некоего среднего положения. Неустойчивость вращения Марса связана с отсутствием стабилизирующего влияния массивного спутника (у Марса нет крупного спутника, аналогичного Луне у Земли).

Другие варианты гипотезы рассматривают изменение положения оси вращения Марса в связи с перераспределением масс на поверхности — например, из-за высыхания океана, занимавшего Великую Северную Равнину (тогда это была область экватора). Отсутствие плотного ядра и связанная с этим относительная однородность плотности Марса вдоль его радиуса могут привести к неустойчивости вращения при наличии даже сравнительно незначительных неоднородностей, удаленных от центра планеты. В частности, если плотные слои мантии окажутся далеко от экватора, кора Марса, как единая плита, под влиянием центробежной силы может сместиться (провернуться) так, чтобы несбалансированная масса оказалась на экваторе. Эта масса может находиться и в глубоких слоях недр, и на поверхности (например, заполненное плотной лавой глубокое кратерное море). Такие неоднородности плотности могут возникнуть довольно быстро, например в случае катастрофического удара крупного астероида. Подобное перераспределение масс может быть связано с мощными извержениями огромного количества жидкой лавы, например в районе вулканов Фарсиды и горы Олимп (тогда это была приполярная область). В результате сформировалась заметная гравитационная аномалия, которая могла вызвать изменение оси вращения планеты либо смещение аномалии вместе с частью коры в экваториальные широты. Расчеты показывают, что северный полюс планеты мог сместиться по поверхности Марса на 3000 км (ось сместилась на 30°). Вторичное смещение еще на 20° могло произойти еще позже.

Механизм таких смещений, когда вся кора планеты проворачивается по мантийным слоям так, чтобы наиболее массивная часть оказалась на экваторе, детально не проработан. Очевидно, что таким процессам должно мешать огромное трение.

В пользу гипотезы смещения коры как единого целого свидетельствует и наличие в экваториальной области Марса двух диаметрально противоположных по долготе структур, напоминающих следы растаявших слоистых полярных отложений. Смещение полюсов (полярных шапок) до экватора невозможно объяснить сравнительно небольшими изменениями наклона оси вращения планеты, связанными с циклами Миланковича. По-видимому, дрейф полюсов действительно имел место.

В пользу гипотезы об изменении положения оси вращения Марса на рубеже Нойского и Гесперийского периодов говорит, кроме того, и исследование магнитных аномалий на поверхности планеты, выполненные с орбиты искусственными спутниками Марса. Оно свидетельствует о расположении магнитных полюсов в далеком прошлом в низких широтах — одного в районе поднятия Фарсида, другого в районе равнины Эллада. Это означает, что Фарсида, ранее находившаяся вблизи географического полюса, оказалась почти на экваторе. В то же время теория предусматривает примерное совпадение оси вращения и оси магнитного диполя планеты.

Как уже отмечалось, причиной такого катастрофического изменения ориентации планеты в пространстве могли стать как удары крупных астероидов (например, породившие ударные бассейны Эллада и Утопия), высыхание северного океана и рост Фарсиды, изменивший распределение массы и момента инерции планеты. Если такое смещение могло произойти в давнюю «теплую» эпоху существования Марса, теплые низкоширотные зоны водоемов могли неожиданно и быстро сместиться к полюсам и быстро замерзнуть, начав лавинообразный процесс выхолаживания, который закончился осаждением сконденсировавшейся углекислоты на полярные шапки.

Как уже сказано, окончательная причина глобальной климатической катастрофы не установлена. Вероятнее всего, действовали многие факторы: циклические изменения положения оси вращения и параметров орбиты Марса, перераспределения масс на поверхности и в недрах планеты за счет вулканизма и импактов, возможные смещения коры при отсутствии стабилизирующего влияния крупного спутника. Действовало и постепенное естественное остывание поверхности планеты и ее атмосферы по окончании тяжелой поздней бомбардировки. Когда вода стала повсеместно замерзать, начались необратимые изменения климата. При этом отдельные события (падения астероидов, вулканические извержения, гипотетические прорывы в атмосферу запасов метана из мерзлого грунта) могли порождать сравнительно кратковременные (продолжительностью порядка сотен тысяч лет) локальные либо глобальные потепления, сопровождавшиеся временным появлением жидкой воды.