Гигантское облако на Марсе может образовать лед непосредственно из водяного пара без пыли, что свидетельствует об атмосферном процессе, который никогда не подтверждался на другой планете.
Облакам на Земле нужно что-то, на чем они могут расти, и водяной пар оседает на пылинки, соль или сажу, прежде чем превратиться в капли или лед.
Лед теоретически может образоваться непосредственно из водяного пара без пыли и других частиц, но необходимые условия настолько экстремальны, что ученые никогда не подтверждали этот процесс в атмосфере планеты.
На Марсе одно облако является исключением.
Согласно новому исследованию моделирования, каждое утро возле гигантского вулкана образуется белая полоса, и ее лед, возможно, образовался непосредственно из водяного пара, и ему не на что было замерзнуть.
Если модель верна, то этот процесс впервые обнаружен в атмосфере любой планеты.
Работу возглавил Хорхе Эрнандес-Берналь из Лаборатории динамической метеорологии в Париже, лаборатории, совместно используемой CNRS и Университетом Сорбонны.
Вывод его команды основан на компьютерной модели марсианской атмосферы, сверенной с многолетними изображениями космических аппаратов, а не на прямых измерениях самого льда.
«Раньше его точно не видели в действии», — сказал Эрнандес-Берналь.
Облако возвращается ежедневно
Облако появляется рядом с горой Арсия, вулканом высотой около 12 миль (20 километров). В течение нескольких месяцев пыльной южной весны и лета оно возвращается каждое утро.
Он начинает формироваться с восходом солнца, около трех часов распространяется в стороны, а затем отрывается от вулкана и затухает.
В самом длинном случае он простирается примерно на 1100 миль (1800 километров), что больше, чем расстояние по прямой от Чикаго до Хьюстона. Он образует примерно 28 миль (45 километров) над поверхностью.
Орбитальный аппарат Mars Express Европейского космического агентства впервые заметил это облако в 2018 году. Лишь немногие космические корабли на Марсе могут делать снимки утром, когда облако существует, а облачный атлас миссии содержит такие изображения за два десятилетия.
Исследователи уже знали формы облаков там, где ветер обдувает вулкан, как это происходит с горными облаками на Земле. Ни одна симуляция не смогла воспроизвести его длинный хвост.
Поскольку льду позволялось расти только на пылинках (стандартное правило), симулированное облако никогда не выглядело так, как полоса на фотографиях.
Формы льда без пыли
Команда Эрнандес-Берналя провела модель погоды на Марсе в районе горы Арсия с разрешением около шести миль (10 километров).
В этой модели ветер, обрушивающийся на вулкан, вызывает большую атмосферную волну, которая за считанные минуты поднимает частицы воздуха на несколько миль (несколько километров) вверх.
Воздух, который поднимается так быстро, резко охлаждается, поэтому компактный карман на западном склоне вулкана оказывается намного холоднее, чем его окрестности.
В модели температура воздуха на этой высоте обычно составляет около -172°F (-113°C). Внутри холодного кармана температура опускается ниже -226°F (-143°C).
Паров в этом кармане примерно в 100 000 раз больше, чем воздух может удержать без замерзания — уровень, который еще не измерялся ни одним инструментом на Марсе.
Именно такая чрезвычайная влажность позволяет льду образовываться без зародышей. По расчетам команды, в каждом кубическом сантиметре воздуха появляются сотни кристаллов льда, что эквивалентно кубику сахара.
Пыли там мало, примерно одно зернышко на каждые две чайные ложки воздуха, поэтому лед, растущий на пыли, не может поглотить лишний пар.
“Водяной пар превращается непосредственно в частицы ледяного облака, без какого-либо промежуточного шага. Это похоже на капли конденсата, которые появляются в середине комнаты, а не на окне”, – сказал Эрнандес-Берналь.
«Мы называем это гомогенной нуклеацией, и мы никогда раньше не видели этого в планетарной атмосфере».
Хвост остается в равновесии
Как только формируются искусственные кристаллы льда, западные ветры уносят их от вулкана.
Кристаллы продолжают расти до тех пор, пока воздух вокруг них не удержит ровно столько пара, сколько может, а затем они перестают меняться.
Лед в таком балансе не растет и не испаряется, поэтому ветер может разносить его на сотни миль.
Позже утром холодный карман исчезает. Новый лед перестает образовываться, голова облака сжимается, а хвост отрывается от вулкана, как и настоящий.
Яркость и размер кристаллов смоделированного облака соответствуют данным космического корабля. Как и другие водно-ледяные облака на Марсе, оно состоит из кристаллов, в сотни раз тоньше человеческого волоса.
Модель не оправдывает ожиданий
Смоделированное облако на 30-50% уже реального. Он начинается примерно с опозданием примерно на полтора часа и, прежде чем оторваться, достигает лишь примерно четверти наблюдаемой длины.
Поздний старт, более медленные ветры в модели и теплая область, где часть облака снова превращается в пар, вероятно, объясняют этот разрыв, пишут авторы.
Команда также протестировала альтернативу. Марс может нести очень мелкую пыль, зерна размером менее ста нанометров, и лед, растущий на этих частицах, мог бы быть обычным объяснением.
В модели мелкая пыль создавала широко распространенную дымку, но никогда не создавала четко очерченного облака, как на изображениях.
«Хотя облака на Земле и Марсе, по-видимому, подчиняются одним и тем же «правилам», понимание этого экзотического марсианского облака требует экзотической физики – и это может быть правдой в других частях космоса», – сказал Колин Уилсон, научный сотрудник ЕКА по проекту Mars Express.
Вопросы о марсианском облаке
Самая большая неопределенность заключается в самой физике. Насколько легко лед образуется из пара, зависит от свойства воды, измеренного только до температуры -24°F (-31°C), а облако образуется примерно на 200°F (110°C) холоднее этого значения.
Команде пришлось экстраполировать, и ширина, длина и время начала облака меняются в зависимости от того, сколько льда модель позволяет сформировать таким образом.
Произойдет ли это где-нибудь еще на Марсе, вопрос открытый.
Команда планирует искать тот же процесс в других облаках и задаться вопросом, перемещает ли он достаточно воды, чтобы иметь значение для водного цикла планеты.
Соавтор исследования Анни Мяэттенен из LATMOS в 2005 году подсчитала, насколько экстремальными должны быть условия.
Исследователи предположили тот же процесс для разреженного холодного воздуха высоко в атмосфере Земли, но там это тоже никто не подтвердил.
Орбитальный аппарат ЕКА Trace Gas Orbiter также может фотографировать марсианскую погоду по утрам, и авторы пишут, что дальше будут более четкие модели и внимательное чтение этих изображений.
Полная версия исследования опубликована в журнале Природа.
—–
Нравится то, что вы читаете? Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать интересные статьи, эксклюзивный контент и последние обновления.
Посетите нас в EarthSnap, бесплатном приложении, созданном Эриком Раллсом и Earth.com.
—–
