Северная и Южная полярные шапки состоят из двух составляющих: сезонной – углекислого газа и вековой – водяного льда. По данным со спутника «Марс-экспресс», толщина шапок может составлять от 1 м до 3,7 км. Аппарат «Марс Одиссей» обнаружил на южной полярной шапке Марса действующие гейзеры. Как считают специалисты НАСА, струи углекислого газа с весенним потеплением вырываются вверх на большую высоту, унося с собой пыль и песок.

В 1784 году астроном У. Гершель обратил внимание на сезонные изменения размера полярных шапок, по аналогии с таянием и намерзанием льдов в земных полярных областях. В 1860-х годах французский астроном Э. Ляи наблюдал волну потемнения вокруг тающей весенней полярной шапки, что тогда было истолковано как растекание талых вод и развитие растительности. Спектрометрические измерения, которые были проведены в начале XX века в обсерватории Ловелла во ФлагстаффеВ. Слайфером, однако, не показали наличия линии хлорофилла – зелёного пигмента земных растений.

По фотографиям «Маринера-7» удалось определить, что полярные шапки имеют толщину в несколько метров, а измеренная температура 115 K (—158° C) подтвердила возможность того, что она состоит из замёрзшей углекислоты – «сухого льда».

Возвышенность, которая получила название гор Митчелла, расположенная близ южного полюса Марса, при таянии полярной шапки выглядит как белый островок, поскольку в горах ледники тают позднее, в том числе и на Земле.

Данные аппарата Mars Reconnaissance Orbiter позволили обнаружить под каменистыми осыпями у подножия гор значительный слой льда. Ледник толщиной в сотни метров занимает площадь в тысячи квадратных километров, и его дальнейшее изучение способно дать информацию об истории марсианского климата.

Русла «рек» и другие особенности

Дельта высохшей реки Эберсвальде (фото Mars Global Surveyor)

Микрофотография конкреции гематита в марсианском грунте, снятая марсоходом «Оппортьюнити» 2 марта 2004 года (поле зрения 1,3 см), что свидетельствует о присутствии в геологическом прошлом воды в жидком состоянии

Так называемая «чёрная дыра» (колодец) диаметром более 150 м на поверхности Марса. Видна часть боковой стенки. Склон горы Арсия (фото «Марсианского разведывательного спутника»)

На Марсе имеется множество геологических образований, напоминающих водную эрозию, в частности, высохшие русла рек. Согласно одной из гипотез, эти русла могли сформироваться в результате кратковременных катастрофических событий и не являются доказательством длительного существования речной системы. Однако последние данные свидетельствуют о том, что реки текли в течение геологически значимых промежутков времени. В частности, обнаружены инвертированные русла (то есть русла, приподнятые над окружающей местностью). На Земле подобные образования формируются благодаря длительному накоплению плотных донных отложений с последующим высыханием и выветриванием окружающих пород. Кроме того, есть свидетельства смещения русел в дельте реки при постепенном поднятии поверхности.

В юго-западном полушарии, в кратере Эберсвальде обнаружена дельта реки площадью около 115 км². Намывшая дельту река имела в длину более 60 км.

Данные марсоходов НАСА «Спирит» и «Оппортьюнити» свидетельствуют также о наличии воды в прошлом (найдены минералы, которые могли образоваться только в результате длительного воздействия воды). Аппарат «Феникс» обнаружил залежи льда непосредственно в грунте.

Кроме того, обнаружены тёмные полосы на склонах холмов, свидетельствующие о появлении жидкой солёной воды на поверхности в наше время. Они появляются вскоре после наступления летнего периода и исчезают к зиме, «обтекают» различные препятствия, сливаются и расходятся. «Сложно представить, что подобные структуры могли сформироваться не из потоков жидкости, а из чего-то иного», – заявил сотрудник НАСА Ричард Зурек. Дальнейший спектральный анализ показал присутствие в указанных областях перхлоратов – солей, способных обеспечить существование жидкой воды в условиях марсианского давления.

28 сентября 2012 года на Марсе обнаружены следы пересохшего водного потока. Об этом объявили специалисты американского космического агентства НАСА после изучения фотографий, полученных с марсохода «Кьюриосити», на тот момент работавшего на планете лишь семь недель. Речь идёт о фотографиях камней, которые, по мнению учёных, явно подвергались воздействию воды.

На вулканической возвышенности Фарсида обнаружено несколько необычных глубоких колодцев. Судя по снимку аппарата «Марсианский разведывательный спутник», сделанному в 2007 году, один из них имеет диаметр 150 метров, а освещённая часть стенки уходит в глубину не менее чем на 178 метров. Высказана гипотеза о вулканическом происхождении этих образований.

На Марсе имеется необычный регион – Лабиринт Ночи, представляющий собой систему пересекающихся каньонов. Их образование не было связано с водной эрозией, и вероятная причина появления – тектоническая активность. Когда Марс находится вблизи перигелия, над лабиринтом Ночи и долинами Маринера появляются высокие (40—50 км) облака. Восточный ветер вытягивает их вдоль экватора и сносит к западу, где они постепенно размываются. Их длина достигает нескольких сотен (до тысячи) километров, а ширина – нескольких десятков. Состоят они, судя по условиям в этих слоях атмосферы, тоже из водяного льда. Они довольно густые и отбрасывают на поверхность хорошо заметные тени. Их появление объясняют тем, что неровности рельефа вносят возмущения в воздушные потоки, направляя их вверх. Там они охлаждаются, а содержащийся в них водяной пар конденсируется.

Грунт

Фотография марсианского грунта в месте посадки аппарата «Феникс»

Элементный состав поверхностного слоя грунта, определённый по данным посадочных аппаратов, неодинаков в разных местах. Основная составляющая почвы – кремнезём (20—25%), содержащий примесь гидратов оксидов железа (до 15%), придающих почве красноватый цвет. Имеются значительные примеси соединений серы, кальция, алюминия, магния, натрия (единицы процентов для каждого).

Согласно данным зонда НАСА «Феникс» (посадка на Марс 25 мая 2008 года), соотношение pH и некоторые другие параметры марсианских почв близки к земным, и на них теоретически можно было бы выращивать растения. «Фактически мы обнаружили, что почва на Марсе отвечает требованиям, а также содержит необходимые элементы для возникновения и поддержания жизни как в прошлом, так и в настоящем и будущем», сообщил ведущий исследователь-химик проекта Сэм Кунейвс. Также, по его словам, данный щелочной тип грунта (pH = 7,7) многие могут встретить на «своём заднем дворе», и он вполне пригоден для выращивания спаржи.

В месте посадки аппарата в грунте имеется также значительное количество водяного льда. Орбитальный зонд «Марс Одиссей» также обнаружил, что под поверхностью красной планеты есть залежи водяного льда. Позже это предположение было подтверждено и другими аппаратами, но окончательно вопрос о наличии воды на Марсе был решён в 2008 году, когда зонд «Феникс», севший вблизи северного полюса планеты, получил воду из марсианского грунта.

Данные, полученные марсоходом Curiosity и обнародованные в сентябре 2013 года, показали, что содержание воды под поверхностью Марса гораздо выше, чем считалось ранее. В породе, из которой брал образцы марсоход, её содержание может достигать 2% по весу.

Геология и внутреннее строение

В прошлом на Марсе, как и на Земле, происходило движение литосферных плит. Это подтверждается особенностями магнитного поля Марса, местами расположения некоторых вулканов, например, в провинции Фарсида, а также формой долины Маринер. Современное положение дел, когда вулканы могут существовать гораздо более длительное время, чем на Земле, и достигать гигантских размеров, говорит о том, что сейчас данное движение скорее отсутствует. В пользу этого говорит тот факт, что щитовые вулканы растут в результате повторных извержений из одного и того же жерла в течение длительного времени. На Земле из-за движения литосферных плит вулканические точки постоянно меняли своё положение, что ограничивало рост щитовых вулканов и, возможно, не позволяло достичь им такой высоты, как на Марсе. С другой стороны, разница в максимальной высоте вулканов может объясняться тем, что из-за меньшей силы тяжести на Марсе возможно построение более высоких структур, которые не обрушились бы под собственным весом. Возможно, на планете имеется слабая тектоническая активность, приводящая к образованию наблюдаемых с орбиты пологих каньонов.

Сравнение строения Марса и других планет земной группы

Современные модели внутреннего строения Марса предполагают, что он состоит из коры со средней толщиной 50 км (максимальная оценка – не более 125 км), силикатной мантии и ядра радиусом, по разным оценкам, от 1480 [104] до 1800 км. Плотность в центре планеты должна достигать 8,5 г/см³. Ядро частично жидкое и состоит в основном из железа с примесью 14—18% (по массе) серы, причём содержание лёгких элементов вдвое выше, чем в ядре Земли. Согласно современным оценкам, формирование ядра совпало с периодом раннего вулканизма и продолжалось около миллиарда лет. Примерно то же время заняло частичное плавление мантийных силикатов. Из-за меньшей силы тяжести на Марсе диапазон давлений в мантии Марса гораздо меньше, чем на Земле, а значит, в ней меньше фазовых переходов. Предполагается, что фазовый переход оливина в шпинелевую модификацию начинается на довольно больших глубинах – 800 км (400 км на Земле). Характер рельефа и другие признаки позволяют предположить наличие астеносферы, состоящей из зон частично расплавленного вещества. Для некоторых районов Марса составлена подробная геологическая карта.

Согласно наблюдениям с орбиты и анализу коллекции марсианских метеоритов, поверхность Марса состоит главным образом из базальта. Есть некоторые основания предполагать, что на части марсианской поверхности материал является более кварцесодержащим, чем обычный базальт, и может быть подобен андезитным камням на Земле. Однако эти же наблюдения можно толковать в пользу наличия кварцевого стекла. Значительная часть более глубокого слоя состоит из зернистой пыли оксида железа.

Магнитное поле

У Марса было зафиксировано слабое магнитное поле.

Согласно показаниям магнетометров станций «Марс-2» и «Марс-3», напряжённость магнитного поля на экваторе составляет около 60 гамм, на полюсе – 120 гамм, что в 500 раз слабее земного. По данным АМС «Марс-5», напряжённость магнитного поля на экваторе составляла 64 гаммы, а магнитный момент планетарного диполя – 2,4 × 1022 эрстед·см².

Магнитное поле Марса крайне неустойчиво, в различных точках планеты его напряжённость может отличаться от 1,5 до 2 раз, а магнитные полюса не совпадают с физическими. Это говорит о том, что железное ядро Марса находится в сравнительной неподвижности по отношению к его коре, то есть механизм планетарного динамо, ответственный за магнитное поле Земли, на Марсе не работает. Хотя на Марсе не имеется устойчивого всепланетного магнитного поля, наблюдения показали, что части планетной коры намагничены и что наблюдалась смена магнитных полюсов этих частей в прошлом. Намагниченность данных частей оказалась похожей на полосовые магнитные аномалии в мировом океане.

По одной теории, опубликованной в 1999 году и перепроверенной в 2005 году (с помощью беспилотной станции «Марс Глобал Сервейор»), эти полосы демонстрируют тектонику плит 4 миллиарда лет назад – до того, как гидромагнитное динамо планеты прекратило выполнять свою функцию, что послужило причиной резкого ослабления магнитного поля. Причины такого резкого ослабления неясны. Существует предположение, что функционирование динамо 4 млрд лет назад объясняется наличием астероида, который вращался на расстоянии 50—75 тысяч километров вокруг Марса и вызывал нестабильность в его ядре. Затем астероид снизился до предела Роша и разрушился. Тем не менее, это объяснение само содержит неясные моменты и оспаривается в научном сообществе.

Глобальная мозаика из 102 снимков, полученных искусственным спутником Марса «Викинг-1» 22 февраля 1980

Геологическая история

Согласно одной из гипотез, в далёком прошлом в результате столкновения с крупным небесным телом произошла остановка вращения ядра, а также потеря основного объёма атмосферы. Потеря легких атомов и молекул из атмосферы – следствие слабого притяжения Марса. Считается, что потеря магнитного поля произошла около 4 млрд. лет назад. Вследствие слабости магнитного поля солнечный ветер практически беспрепятственно проникает в атмосферу Марса, и многие из фотохимических реакций под действием солнечной радиации, которые на Земле происходят в ионосфере и выше, на Марсе могут наблюдаться практически у самой его поверхности.

Фактические данные

Научные гипотезы о существовании в прошлом жизни на Марсе присутствуют давно. По результатам наблюдений с Земли и данным космического аппарата «Марс-экспресс» в атмосфере Марса обнаружен метан. Позднее, в 2014 году, марсоход НАСА Curiosity зафиксировал всплеск содержания метана в атмосфере Марса и обнаружил органические молекулы в образцах, извлечённых в ходе бурения скалы Камберленд.

Распределение метана в атмосфере Марса в летний период в северном полушарии

В условиях Марса этот газ довольно быстро разлагается, поэтому должен существовать постоянный источник его пополнения. Таким источником может быть либо геологическая активность (но действующие вулканы на Марсе не обнаружены), либо жизнедеятельность бактерий. Интересно, что в некоторых метеоритах марсианского происхождения обнаружены образования, по форме напоминающие клетки, хотя они и уступают мельчайшим земным организмам по размерам. Одним из таких метеоритов является ALH 84001, найденный в Антарктиде в 1984 году.

ALH84001 под микроскопом

Важные открытия сделаны марсоходом «Curiosity». В декабре 2012 года были получены данные о наличии на Марсе органических веществ, а также перхлоратов. Те же исследования показали наличие водяного пара в нагретых образцах грунта. Интересным фактом является то, что «Curiosity» на Марсе приземлился на дно высохшего озера.

Анализ наблюдений говорит, что планета ранее имела значительно более благоприятные для жизни условия, нежели теперь. В ходе программы «Викинг», осуществлённой в середине 1970-х годов, была проведена серия экспериментов для обнаружения микроорганизмов в марсианской почве. Она дала положительные результаты: например, временное увеличение выделения CO2 при помещении частиц почвы в воду и питательную среду. Однако затем данное свидетельство жизни на Марсе было оспорено учёными команды «Викингов». Это привело к их продолжительным спорам с учёным из NASA Гильбертом Левиным, который утверждал, что «Викинг» обнаружил жизнь. После переоценки данных «Викинга» в свете современных научных знаний об экстремофилах было установлено, что проведённые эксперименты были недостаточно совершенны для обнаружения этих форм жизни. Более того, эти тесты могли убить организмы, даже если последние содержались в пробах. Тесты, проведённые в рамках программы «Феникс», показали, что почва имеет очень щелочной pH и содержит магний, натрий, калий и хлориды. Питательных веществ в почве достаточно для поддержания жизни, однако жизненные формы должны иметь защиту от интенсивного ультрафиолетового света.

На сегодняшний день условием для развития и поддержания жизни на планете считается наличие жидкой воды на её поверхности, а также нахождение орбиты планеты в так называемой зоне обитаемости, которая в Солнечной системе начинается за орбитой Венеры и заканчивается большой полуосью орбиты Марса. Вблизи перигелия Марс находится внутри этой зоны, однако тонкая атмосфера с низким давлением препятствует появлению жидкой воды на длительный период. Недавние свидетельства говорят о том, что любая вода на поверхности Марса является слишком солёной и кислотной для поддержания постоянной земноподобной жизни.

Отсутствие магнитосферы и крайне разрежённая атмосфера Марса также являются проблемой для поддержания жизни. На поверхности планеты идёт очень слабое перемещение тепловых потоков, она плохо изолирована от бомбардировки частицами солнечного ветра; помимо этого, при нагревании вода мгновенно испаряется, минуя жидкое состояние из-за низкого давления. Кроме того, Марс также находится на пороге т. н. «геологической смерти». Окончание вулканической активности, по всей видимости, остановило круговорот минералов и химических элементов между поверхностью и внутренней частью планеты.

Терраформированный Марс в представлении художника

Близость Марса и относительное его сходство с Землёй породило ряд фантастических проектов терраформирования и колонизации Марса землянами в будущем.

Марсоход «Curiosity» обнаружил сразу два источника органических молекул на поверхности Марса. Помимо кратковременного увеличения доли метана в атмосфере, аппарат зафиксировал наличие углеродных соединений в порошкообразном образце, оставшемся от бурения марсианской скалы. Первое открытие позволил сделать инструмент SAM на борту марсохода. За 20 месяцев он 12 раз измерил состав марсианской атмосферы. В двух случаях – в конце 2013 года и начале 2014 – «Curiosity» удалось обнаружить десятикратное увеличение средней доли метана. Этот всплеск, по мнению членов научной команды марсохода, свидетельствует об обнаружении локального источника метана. Имеет ли он биологическое или же иное происхождение, специалисты утверждать затрудняются вследствие нехватки данных для полноценного анализа.

Закат на Марсе 19 мая 2005 года. Снимок марсохода «Спирит», который находился в кратере Гусев

В полдень небо Марса жёлто-оранжевое. Причина таких отличий от цветовой гаммы земного неба – свойства тонкой, разреженной, содержащей взвешенную пыль атмосферы Марса. На Марсе рэлеевское рассеяние лучей (которое на Земле и является причиной голубого цвета неба) играет незначительную роль, эффект его слаб, но проявляется в виде голубого свечения при восходе и закате Солнца, когда свет проходит через атмосферу большее расстояние. Предположительно, жёлто-оранжевая окраска неба также вызывается присутствием 1% магнетита в частицах пыли, постоянно взвешенной в марсианской атмосфере и поднимаемой сезонными пылевыми бурями. Сумерки начинаются задолго до восхода Солнца и длятся долго после его захода. Иногда цвет марсианского неба приобретает фиолетовый оттенок в результате рассеяния света на микрочастицах водяного льда в облаках (последнее – довольно редкое явление).»6

Гидросфера Марса

Полярная шапка Марса

Так, на первых подробных изображениях поверхности Марса, полученные аппаратом Маринер-9, можно видеть сети долин (такие как долины Нергала) – элементы рельефа, свидетельствующие о присутствии в прошлом жидкой воды, в частности, подтопления грунтовыми водами склонов оврагов, поскольку они выглядят идентично эрозионным структурам на Земле, например, на Гавайских островах и в каньонах Эскаланте плато Колорадо.

Помимо разветвлённой сети долин, начиная с этих ранних снимков Маринера-9 различают элементы рельефа, связанные с интенсивным разливом и называемые каналами оттока. Они выглядят как уменьшенная копия крупнейших земных дилювиальных форм. На сегодняшний день считается общепризнанной гипотеза, что происхождение этих каналов также связано именно с жидкой водой, хотя теоретически возможны и другие варианты. Каналы оттока в основном моложе сетей долин, хотя встречаются и достаточно древние образования. По всей видимости, они сформировались в период, когда условия на поверхности Марса были примерно такими же, как сейчас.

Равновеликая азимутальная проекция Ламберта рельефа поверхности Марса от северного полюса до экватора, отснятого высотомером MOLA. Граница Северной низменности сильно напоминает берег океана, возможно, покрывавшего эту площадь в древности.

Аппаратом Mars Global Surveyor были получены и обычные снимки, и их анализ в 2000 году подтвердил существование каналов, сформированных потоками жидкой воды, а также песка и грязевых отложений, оставленных этими потоками. Эти элементы рельефа были настолько свежими, что можно говорить о том, что они формируются и в настоящий период. Позже наличие на тёплых склонах так называемых сезонных поверхностных линий – темных полос, появляющихся на поверхности планеты в теплое время года и похожих на отложения солей, – было засвидетельствовано снимками камеры HiRISE на орбитальном аппарате «Mars Reconnaissance Orbiter». А с помощью спектрометра CRISM на его борту в 2015 году наконец было подтверждено, что они образуются на месте периодических потоков солёной воды в жидком состоянии. Активные исследования сезонных поверхностных линий продолжаются, в том числе и с помощью других инструментов, например, THEMIS на орбитальном аппарате «Марс Одиссей».

Примерно в этот же период (в начале XXI в.) с помощью гамма-спектрометра на орбитальном аппарате «Марс Одиссей» было обнаружено большое количество водорода в приповерхностном слое Марса – особенно в приполярных областях – что, скорее всего, свидетельствует о нахождении там колоссального количества (35 ± 15% слоя по весу) воды в твёрдом состоянии. Присутствие льда было подтверждено данными марсохода «Феникс», работавшего возле северного полюса планеты: белое вещество, обнаруженное на дне вырытой им небольшой траншеи, испарилось за несколько дней, что характерно именно для льда. Аналогичный процесс был зарегистрирован аппаратом «Mars Reconnaissance Orbiter» и для вещества на дне свежих кратеров, в том числе и на низких широтах. На снимках аппаратов «Mars Global Surveyor», «Марс Одиссей», «Mars Reconnaissance Orbiter» и «Марс Экспресс» можно видеть ещё одно свидетельство повсеместного присутствия льда в приповерхностном слое Марса – формы рельефа, напоминающие земные ледники. А радиолокатор SHARAD на аппарате «Mars Reconnaissance Orbiter» подтвердил, что под тонким слоем пыли и грязи в этих образованиях (в том числе в средних широтах) действительно находится лёд.

Узкие овраги на склоне кратера Ньютон, возможно, созданные потоками жидкой воды. Снимок аппарата Mars Global Surveyor, 2000 г.

Динамика сезонных поверхностных линий на склоне кратера Ньютон, составленная по данным аппарата «Mars Reconnaissance Orbiter» в 2011 г.

<1 2 3 4 5 6 >

На страницу:

Перейти

3 из 6