Климат Марса в прошлом

Среди образований, обнаруженных на поверхности Марса, всеобщее внимание привлекли руслообразные протоки, или меандровые долины, о которых уже упоминалось^*. Их внешний вид, наличие "притоков" вряд ли можно объяснить иначе, чем предположив, что это - русла рек.

^* (Меандрами называют высохшие (старые) русла рек.)

Однако, как уже говорилось выше, на Марсе в настоящее время реки течь не могут, там вообще не может быть жидкой воды. Причина этого состоит в том, что при тех низких давлениях, которые господствуют на Марсе, вода закипает уже при очень низких температурах. Тройная точка воды, когда лед переходит в пар, минуя жидкую стадию, соответствует давлению 6,1 мбар, которое как раз характерно для среднего уровня поверхности Марса. Но даже при более высоких давлениях (10-20 мбар) вода должна закипать при температурах 7-18°С, которые на Марсе осуществляются. Поэтому за короткий срок вода должна переходить в пар.

Никакая другая жидкость не могла образовать наблюдаемых русел: лава быстро застывает, а жидкая углекислота даже в земных условиях не может существовать: твердый СО₂ переходит непосредственно в пар и наоборот.

Итак, единственное возможное объяснение меандров на Марсе - это образование водных потоков, рек. Сейчас для него нет необходимых условий - значит, они были в прошлом. Для этого нужно допустить, что в более ранние эпохи атмосферное давление на Марсе было значительно выше, чем в настоящее время.

Возможно ли это? Оказывается, да. Ведь Марс - единственная планета, где вещество полярных отложений (полярных шапок) совпадает по составу с основным газом атмосферы - углекислым газом.

(В самом деле, на Земле полярные шапки состоят из замерзшей воды, а доля водяного пара в земной атмосфере не превышает 0,3%. На Венере же вообще не существует полярных шапок.)

Это значит, что если бы можно было вещество полярных шапок Марса превратить в пар, то давление его атмосферы существенно увеличилось бы. В самом деле, общая масса марсианской атмосферы равна 2-1019 г, тогда как масса полярных шапок Марса, по расчетам американского астронома К. Кросса (1971 г.) и советского радиоастронома В. И. Алешина (1972 г.), почти такая же. В случае их полного испарения масса СО₂ в атмосфере Марса, а значит, и атмосферное давление, удвоились бы. Образование жидкой воды и текущих рек стало бы возможным.

Увеличение мощности атмосферы, состоящей из СО₂, приведет к усилению парникового эффекта и повышению температуры планет. Однако парниковый эффект - лишь вторичная причина повышения температуры, появляющаяся уже в результате испарения полярных шапок. Должна существовать первичная причина, влияющая на климат планеты.

Для объяснения потепления климата Марса в прошлом были предложены две гипотезы. Одна из них (более прозаическая) была предложена американскими астрономами Дж. Бернсом и М. Харвитом и состоит в том, что из-за прецессии оси Марса (под действием Солнца) и плоскости его орбиты (за счет возмущений от планет) с периодом суммарной прецессии 50000 лет эпохи резкого различия температурных условий лета и зимы (когда лето в одном из полушарий совпадает с положением Марса близ перигелия, а зима - близ афелия его орбиты) сменяются через 10-12 тысяч лет эпохами более умеренного климата, когда и лето, и зима в обоих полушариях наступают при средних расстояниях Марса от Солнца. В последнем случае минимальная температура на планете будет выше, а зима в южном полушарии короче, чем в настоящее время. В эти эпохи и были, по мнению Бернса и Харвита, необходимые условия для полного испарения обеих полярных шапок. Оба ученых предложили даже фантастический проект, как "удержать" ось Марса в благоприятном для климата положении. Для этого нужно переместить Фобос на другую орбиту либо создать вокруг Марса кольцо новых "естественных" спутников, позаимствовав их из пояса астероидов.

Гораздо более интересна и оригинальна другая гипотеза, предложенная К. Саганом. В ней американский ученый попытался объяснить с единой точки зрения такие, казалось бы, разные явления, как ледниковые периоды на Земле, недостаточный поток нейтрино от Солнца и реки на Марсе.

В самом деле, за последние 100 тысяч лет Земля переживала четыре периода оледенения, перемежавшиеся сравнительно теплыми межледниковыми периодами, один из которых мы переживаем сейчас. Наиболее вероятной причиной этих чередований теплых и холодных периодов является изменение притока солнечного тепла.

С другой стороны, поток нейтрино, улавливаемый современными нейтринными телескопами, намного меньше, чем следовало ожидать, исходя из представлений о происходящих на Солнце термоядерных реакциях^*. К. Саган совместно с астрофизиком Э. Юнгом предложил следующее объяснение.

^* (См. Мартынов Д. Я., Что беспокоит астрофизиков, "Земля и Вселенная", № 1, 1971.)

Ядро Солнца, в котором происходят термоядерные реакции, испытывает периодические (с периодом около 10⁸ лет) расширения, вызванные перемешиванием легкого изотопа гелия He³, играющего важную роль в цепи так называемой протон-протонной реакции. Выход нейтрино отражает современную интенсивность термоядерных реакций, которая, по мнению Сагана и Юнга, понижена. Наоборот, излучение, испытывая на пути от ядра Солнца к его поверхности длинную цепь процессов рассеяния, поглощения и переизлучения на других длинах волн, характеризует уже прошедший этап в эволюции Солнца. Изменение светимости Солнца за счет пульсаций его ядра по схеме Сагана - Юнга может составлять 7-30%, а этого достаточно для объяснения ледниковых периодов на Земле и колебаний климата Марса. Однако период пульсаций, полученный Саганом и Юнгом, значительно больше периода повторения оледенений (на 3-4 порядка), и в этом - главная трудность такого объяснения ледниковых периодов. Правда, косвенным ее подтверждением является наблюдаемый разброс на диаграмме "цвет - светимость" для звезд рассеянного скопления Ясли, возраст которого 3·10⁸ лет. Этот разброс может быть объяснен пульсацией ядер этих звезд и колебанием их светимости.

На самом Марсе тоже обнаружены признаки оледенений. Это типичные формы рельефа, образуемые ледниками: U-образные долины, "висячие" долины, долины-притоки, острые гребни, седловины и другие. Но самих ледников не видно. Отсюда ряд исследователей делает вывод, что оледенения были на Марсе в давнем прошлом, в эпохи большей влажности и более сурового климата.

В районе полярных шапок, после стаивания значительной части углекислого "снега", остаются хорошо наблюдаемые слоистые отложения, названные ламинами (рис. 22). Толщина каждого слоя - десятки метров, а всей системы отложений - около 2 км. Из чего они состоят? Из светлых мелкораздробленных пород, как полагает Дж. Каттс, или из слоев льда СО₂, лишь защищенных минеральными отложениями от летнего таяния и испарения, как полагает К. Саган? Если верна последняя точка зрения, то масса твердого СО₂ в полярных шапках возрастает на несколько порядков против приведенных выше оценок К. Кросса и В. И. Алешина, и тогда плотность и давление атмосферы Марса в прошлом могли быть значительно выше, чем сейчас.

Рис. 22. Слоистая структура полярной шапки Марса (по снимкам 'Маринера-9')