Леонид Ксанфомалити - Горные потоки и бассейны на Марсе

Рис. 13. Склон небольшого кратера в том же районе (кратер Ньютона), что и на рис. 10, с многочисленными извилистыми оврагами и осыпями сыпучего материала на дне. (MGS МОС Release No. МОС2-317. NASA/JPL/MSSS.) Извилистые овраги свидетельствуют, вероятно, о каменистом склоне.

Изображение склона с одиночными нитевидными «исчезающими» оврагами приведено на рис. 12. Узкие овраги или протоки довольно часто встречаются в полосе марсианских широт от 30°N до 70°S. Они действительно похожи на склоновые русла земных рек и не перекрываются более поздними образованиями (например, песчаными дюнами). Ширина (и, вероятно, глубина) оврагов близка к 10–20 м, а протяжённость составляет от сотен метров до километров. Сотни снимков, сделанных с орбитальных аппаратов, показали, что источники следов грунтовых вод находятся на крутых склонах долин и кратеров, на глубине от 150 до 500 м ниже уровня окружающей поверхности. По-видимому, именно на этих глубинах в некоторых районах происходит таяние грунтовых льдов, и вода выходит на склоны. На рис. 13 представлен ещё один вид района с подобными оврагами. В отличие от рис. 10 здесь овраги извилистые. На Земле это значило бы, что на пути потока расположены крупные глыбы, а склон пологий. Ширина оврагов — от единиц метров до 10–20 м, они тоже не расширяются, а сужаются вниз по склону и исчезают.

Рис. 14. Тормозные ракетные двигатели аппарата «Феникс» (фото 2008 года) сдули тонкий слой песка и пыли и обнажили сплошной слой льда.

Именно потоки (воды или какой-то другой жидкости) легко могли бы образовать такие промоины, но как объяснить их странный вид? Почему следы потоков теряются на склоне? Ускорение свободного падения на Марсе почти втрое меньше земного, но это, конечно, не значит, что вода течёт вверх. На первый взгляд такое сужение оврагов кажется парадоксальным, если они образованы потоком. Но для Марса можно предложить простое объяснение этого парадокса: низкие температуры. Если грунтовая вода действительно образовала ключ и поток вышел на поверхность, устремившись вниз по морозному склону, то в условиях Марса размеры развивающейся промоины будут зависеть, прежде всего, от температуры поверхности и температуры потока. Если температура поверхностного слоя днём составляет, в зависимости от широты на Марсе, от —60 до —10 °C или ниже, поток, спускаясь по склону, должен постепенно и впитываться в сухой морозный грунт, и замерзать. Образуется ложе канала из промёрзшего грунта, по которому оставшаяся часть потока устремляется дальше, впитываясь, наращивая промёрзшее ложе, охлаждаясь и продолжая замерзать. Поэтому, в отличие от земных склоновых рек, потоки на Марсе сужаются. При переходе воды с температурой 0 °C в фазу льда выделяется 80 ккал/кг. Теплоёмкость марсианского грунта невелика, поэтому промёрзшее ложе потока может получиться достаточно толстым, если ключ существует достаточно долго. Как ведёт себя грунт Марса при увлажнении и сколько при этом поглощается тепла, точно неизвестно, но баланс отдаваемого тепла должен включать его потери в образующемся ледяном ложе канала, а также более медленные излучение и поглощение атмосферой. Температура истекающей воды также неизвестна, но высокой она быть не может, вероятно, около 10 °C.

Сужающиеся по склону овраги известны и на Земле в районах пустынь и связаны с непосредственным поглощением (впитыванием) воды сухим тёплым грунтом, что не имеет ничего общего с мгновенным образованием тонкого ледяного ложа потока на Марсе. Более близким аналогом могут быть потоки от гейзеров, бьющих в кальдере вулкана Эребус в Антарктиде.

Часто утверждается, что жидкая вода на поверхности Марса немедленно испаряется. Это недоразумение: роль испарения пренебрежимо мала, и её нетрудно оценить. Пусть атмосферное давление в данном районе 8 мбар, тогда температура кипения воды, согласно диаграмме на рис. 5, составляет 4 °C. При температуре воды в ключе, например, 10 °C вода в потоке будет кипеть, постепенно уменьшая своё теплосодержание и остывая. Когда температура упадёт до 4 °C (или до 0 °C при давлении 6,1 мбар), каждый килограмм воды потеряет 6 ккал и кипение прекратится. Чтобы найти, какая доля потока испарится с понижением его температуры до 4 °C, следует эти 6 ккал разделить на теплоту парообразования (в земных условиях это 540 ккал/кг, на Марсе незначительно больше). Расчёт показывает, что в пар превратится всего 1,1 %, то есть сколько-нибудь заметная часть истекающей воды испариться не может, для этого негде взять необходимую теплоту парообразования. Реальные процессы могут быть сложнее, так как на крутых склонах поток несёт с собой значительные массы грунта, что уменьшает его теплосодержание.

Когда дневная температура грунта становится положительной, как это наблюдалось с аппарата «Пасфайндер», потоки способны распространяться на большие расстояния, но их обильность также должна уменьшаться с расстоянием из-за расхода воды на увлажнение песчаного грунта. Заметную роль в протяжённости потоков может играть солёность грунтовой воды Марса, понижающая точку замерзания.

Источником жидкой воды может быть только таяние подпочвенного льда (или вечной мерзлоты). Глубина залегания подпочвенного льда оценивается различно, в среднем от сотни метров до километра, а минимальная оценка глубины — всего несколько сантиметров. Так, в арктической зоне посадки аппарата «Феникс» лёд оказался сразу под слоем пыли (рис. 14). Аппарат исследовал реголит на небольшой глубине. При посадке аппарата струи газа из тормозных двигателей (конусы вверху) сдули слой пыли. Под её тонким слоем находится значительная масса льда, который, в отличие ото льдов низких широт, здесь сохраняется очень долго. Что же касается поясов экваториальных и умеренных широт, выход воды (и, возможно, водяного пара) из глубоких слоёв тающего льда на поверхность неизбежен — куда им ещё деваться. По результатам исследований на аппарате MGS было установлено, что в некоторых районах на глубине менее 500 м есть жидкая вода. На склонах кратеров на рис. 6 и 10 ясно виден выделяющийся чем-то слой глубиной 100–500 м. Можно предположить, что он отличается именно присутствием льда и воды.

В представлениях о Марсе как о «сухой, мёртвой планете» произошёл перелом. Как всегда, появление новых измерительных приборов приводит к ревизии прежних сведений. Но уместно отметить: ещё в конце 1970-х исследователи предполагали, что на Марсе должны существовать частично или полностью промёрзшие, скрытые слоем песка и пыли озёра. На одном из снимков аппарата «Марс Экспресс» видна обширная гладкая равнина (рис. 15). Метеоритные кратеры на её поверхности немногочисленны, что указывает на сравнительно недавнее появление равнины. Верхний окрашенный слой — конечно, песок и пыль, но под ними просматриваются плоские блоки протяжённостью в десятки и даже в сотню километров. Из сравнения с видом ледовых полей Антарктики был сделан предположительный вывод, что это поверхность замёрзшего моря или небольшого океана, возникших в эпоху более мягкого климата Марса. Метеоритные кратеры неглубоки и своей правильной формой отличаются от других ударных кратеров, позволяя предположить, что они образовались в толще льда.