Ученые рассказали, как генерирующие статическое электричество пыльные бури на Марсе влияют на его поверхность
Пыльные бури представляют серьезную опасность на Марсе. В то время как небольшие бури и пыльные вихри случаются регулярно, более крупные случаются каждый год (летом в южном полушарии) и могут охватывать территории размером с континент в течение нескольких недель. Раз в три марсианских года (примерно пять с половиной земных лет) бури могут стать достаточно сильными, чтобы охватить всю планету и длиться до двух месяцев. Эти штормы играют важную роль в динамических процессах, которые формируют поверхность Марса и иногда видны с Земли (например, шторм 2018 года, завершивший миссию марсохода Opportunity).
Когда марсианские бури становятся особенно сильными, трение между пылинками заставляет их электризоваться, перенося положительные и отрицательные заряды посредством статического электричества. Согласно исследованию, проведенному планетологом Алианом Ваном из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, эта электрическая сила может быть основной движущей силой марсианского цикла хлора. Основываясь на своем анализе, Ван и ее коллеги считают, что этот процесс может объяснить большое количество перхлоратов и других химических веществ, которые роботизированные миссии обнаружили в марсианской почве.
Доктор Ван возглавлял международную группу исследователей из Техасского технологического университета, Университета Делавэра, Центра космических наук Макдоннелла (MCSS) и Оксфордского университета. Статья, описывающая их результаты, недавно появилась в Geophysical Research Letters. В нем Ван и ее коллеги продемонстрировали, как электрический разряд, вызванный пыльными бурями, может быть ответственен за разложение хлоридных солей и создание атмосферного хлора и других химических соединений, обнаруженных на поверхности (хлоратов, перхлоратов и карбонатов).
На Марсе хлор считается одним из пяти «подвижных элементов», остальные — водород, кислород, углерод и сера. Подобно круговороту воды на Земле (или круговороту метана на Титане), это означает, что хлор перемещается между марсианской поверхностью и атмосферой в различных формах. Он существует в газообразном виде в атмосфере, а отложения хлоридов встречаются на поверхности. Эти месторождения подобны соляным ямам, найденным по всей Земле, таким как солончаки Бонневилля в Юте, Пан Этоша в Намибии и Салар-де-Уюни в Боливии (крупнейшие в мире).
Как и на Земле, эти отложения хлоридов, вероятно, представляют собой высохшие остатки соленых пятен воды, существовавших на поверхности. Предполагается, что они образовались в результате взаимодействия между поверхностью и атмосферой в амазонский период. Эта геологическая эра продолжается до наших дней и, как считается, началась с конца гесперианского периода (около 3 миллиардов лет назад), когда Марс все еще переходил от более теплой и влажной среды к тому, что мы видим сегодня (чрезвычайно холодный и высохший).
Поскольку больше нет обмена между поверхностью и атмосферой, ученые задались вопросом, как могут быть связаны атмосферные отложения хлора и хлоридов. В своем новом исследовании Ван (сотрудник факультета MCSS) и ее коллеги продемонстрировали, что электрические разряды, вызванные пыльными бурями, являются эффективным способом обмена хлором между поверхностью и воздухом. Возможность того, что пыльные бури могут быть источником реактивной химии на Марсе, впервые была предложена, когда миссии «Викинг-1» и «Викинг -2» приземлились там в 1970-х годах.
Однако химические эффекты активности пыли было трудно изучать, поскольку в 2016 году на поверхность потерпел крушение спускаемый аппарат ЕКА «Schiaparelli» (который должен был изучать это явление). В результате ученым пришлось придерживаться моделирования климата и экспериментальных исследований, в том числе исследований, которые Ван и другие планетологи сделали это в последние годы. Они показали, что при взаимодействии электростатических разрядов с солями хлора в среде, богатой двуокисью углерода (например, в марсианской атмосфере), выделяется газообразный хлор и могут образовываться перхлораты и карбонаты.
Тем не менее, это последнее исследование было первой попыткой ученых-планетологов количественно определить, сколько этих химических веществ производится во время марсианских пыльных бурь. Это было сделано с помощью серии экспериментов в Планетарной палате анализа окружающей среды и анализа Вашингтонского университета (PEACh), где команда подвергла различные распространенные хлоридные минеральные соли электрическим разрядам в условиях, подобных марсианским.
Как указал Ван в пресс-релизе Вашингтонского университета (The Source), результаты подтвердили их теорию: «Электрификация трением — обычный процесс в нашей Солнечной системе, а деятельность марсианской пыли, как известно, является мощным источником накопления электрического заряда. Разреженная атмосфера на Марсе значительно облегчает разрушение накопленных электрических полей в виде электростатического разряда. На самом деле на Марсе в сто раз легче, чем на Земле. Скорость реакции огромна. Важно отметить, что высвобождение хлора в процессе кратковременного электростатического разряда средней силы находится на процентном уровне. Никакой другой процесс, о котором мы знаем, не может этого сделать, особенно с таким количественно высоким выходом выделения хлора».
Во время семичасового эксперимента по моделированию электростатического разряда они обнаружили, что по крайней мере 1 из 100 молекул хлорида разлагалась и выделяла атом хлора. Кроме того, электрический разряд также является причиной очень высоких глобальных концентраций соединений перхлоратов и карбонатов в марсианском верхнем слое почвы, хотя скорость образования была немного ниже (уровни доли процента на тысячу). Эксперимент также показал, что наблюдаемые диапазоны концентраций могут накапливаться в пределах половины амазонского периода.
Наконец, высокие выходы могут объяснить высокие концентрации хлористого водорода в атмосфере, наблюдавшиеся во время пыльных бурь 2018 и 2019 годов. Кевин Олсен, научный сотрудник Открытого университета и соавтор нового исследования, сказал: «Высокая скорость выделения хлора из обычных хлоридов, выявленная в этом исследовании, указывает на многообещающий путь преобразования поверхностных хлоридов в газовые фазы, которые мы сейчас наблюдаем в атмосфере. Эти результаты подтверждают, что деятельность марсианской пыли может управлять глобальным циклом хлора. С помощью ExoMars Trace Gas Orbiter мы наблюдаем повторяющуюся сезонную активность, совпадающую с глобальными и региональными пыльными бурями».
Еще одним интересным выводом из этого исследования стало то, как команда предположила, как могут выглядеть электростатические разряды на Марсе. По словам Вана, разряд не будет похож на вспышку молнии (как это происходит на Земле). Вместо этого, по ее словам, это будет больше похоже на свечение из-за тонкой атмосферы Марса. «Это может быть чем-то вроде полярных сияний на Земле, где энергичные электроны сталкиваются с разбавленными атмосферными частицами», — сказал он.
На сегодняшний день ни одна роботизированная миссия на Марсе, будь то посадочные модули, вездеходы или орбитальные аппараты, не засвидетельствовала электрический разряд во время пыльной бури. Свечение, вероятно, будет скрыто высокой концентрацией пыли и не будет видно с орбиты. Между тем, наземные миссии, которые полагаются на солнечную энергию, вынуждены приостанавливать операции во время сильных штормов, чтобы сохранить электроэнергию (как это было во время недавнего сезона штормов для вертолета Ingenuity). Но, возможно, марсоход Curiosity или Perseverance с ядерной силовой установкой сможет сделать снимок этого явления до того, как их миссия будет завершена.
