Яков Кац - Геологи изучают планеты

Мерзлота оказывает большое влияние не только на климат (хотя сама зависит от него) и растительность, но также и на рельеф. Для криолитосферы на Земле характерен своеобразный ландшафт. Это — в основном равнинная или горная тундра с болотами, термокарстовыми воронками и впадинами (аласы), буграми пучения, морозобойными трещинами, часто образующими полигональную сетку.

Другие планеты Солнечной системы, расположенные от Солнца дальше, чем Земля, являются и более холодными. Обширная информация в настоящее время получена для Марса.

Марс находится в 1,5 раза дальше от Солнца, чем Земля. Это позволило исследователям еще до полетов автоматических станций считать его климатические условия более суровыми, чем на Земле. А. И. Лебединский и В. Д. Давыдов еще в 50-х годах предположили наличие отрицательных температур на поверхности Марса и возможное существование мерзлоты и оледенений. В. Д. Давыдовым была произведена теоретическая оценка глубины промерзания планеты. По его данным, мощность мерзлых пород на экваторе составляет 0,5 км, а на полюсах 2 км. По мнению многих исследователей, мерзлота считается одним из возможных источников существовавшей раньше воды на Марсе. Р. Лейтон, Б. Муррей, П. М. Фролов и Г. Н. Каттерфельд предполагали, что мерзлота образует сплошную зону между полюсами и 40-50° ю. и с. ш. В 1966 г. И. Я. Баранов теоретически рассмотрел возможные особенности планетарного развития мерзлоты Марса и подчеркнул, что состояние мерзлых или морозных пород должно определяться фактором равновесия мерзлоты с атмосферной влагой.

Американские и советские исследователи — Р. Шарп, Дж. Мак-Коли, Д. Андерсон, Д. Милтон, М. Карр и Г. Шабер, Т. Матч, Р. О. Кузьмин, К. П. Флоренский, А. Т. Базилевский и другие — в своих работах рассматривали условия существования мерзлоты на Марсе и ее рельефообразующее значение.

Планеты | Среднее расстояние от Солнца | в млн. км | в астрономических единицах

Меркурий | 58 | 0,4

Венера | 108 | 0,7

Земля | 150 | 1

Марс | 228 | 1,5

Юпитер | 778 | 5,2

Сатурн | 1426 | 10

Уран | 2869 | 19

Нептун | 4496 | 30

Плутон | 5929 | 40

При рассмотрении условий существования мерзлоты на любой планете встает вопрос о воде. На Земле вода выделялась и продолжает выделяться в настоящее время в процессе кристаллизации вещества мантии. В виде горячих растворов (гидротерм) и пара по трещинам она поднимается к поверхности. Часть ее вместе с другими летучими компонентами — азотом, кислородом, углекислым газом и другими — насыщает атмосферу. В современной атмосфере Земли воды в различном состоянии содержится до 2%, а углекислого газа 0,03%. В атмосфере же Марса, как указывалось выше, преобладает углекислый газ (95%), а водяных паров очень мало — доли процента.

Если предположить, что процесс кристаллизации вещества мантии Марса также сопровождался выделением летучих компонентов, то в атмосфере Марса, как и на Земле, воды когда-то могло быть значительно больше. Возможно, что вода улетучилась из-за низкого давления. В то же время существование отрицательных температур позволяет и по-другому подойти к этому вопросу. Выделяющаяся из недр Марса вода у поверхности должна замерзать. Образующийся слой мерзлых пород со льдом мог служить своего рода экраном, который задерживал поступающую из недр воду, и таким образом с течением времени могла формироваться мерзлотная зона Марса. Этим можно объяснить и высокое содержание углекислого газа в атмосфере Марса. Поскольку для перехода углекислого газа в твердое состояние требуется более низкая температура, чем для воды, то, поднимаясь снизу, он мог проникать через мерзлые породы; это привело к его избытку в атмосфере.

Представление о строении криолитосферы Марса основывается так же, как и для земной аналогичной зоны, на главных факторах — средней вековой температуре верхнего слоя пород, теплопроводности их в мерзлом состоянии и тепловом потоке недр. Вычисленные ранее теоретические значения среднегодовых температур Марса, дополненные прямыми измерениями, показали, что они изменяются в зависимости от широты от -29° С на экваторе до -93° С на северном полюсе и до -88° С на южном.

Разрезы верхних горизонтов криолитосферы Марса по меридиану (1-3). По Р. О. Кузьмину (1980 г.)

Величина теплового потока была рассчитана на основании анализа содержания радиоактивных элементов в поверхностных породах Марса. На основании этих данных Р. О. Кузьмин рассчитал мощность криолитосферы Марса, которая в несколько раз превышает максимальную мощность ее на Земле. Наибольшая мощность мерзлоты установлена на полюсах — 4,2 км, наименьшая — 1,2 км — в экваториальной зоне.

Так как значения отрицательных температур на поверхности и в верхней части коры Марса позволяют существовать углекислоте в жидком, твердом и газообразном состоянии, а также твердому продукту взаимодействия воды и углекислоты — газгидрату, отсюда следует, что строение криолитосферы и ее состав в зависимости от широты могут изменяться как по глубине, так и по простиранию. Р. О. Кузьмин считает, что в экваториальной области Марса и в средних широтах мерзлотная зона с поверхности состоит из водного льда, глубже сменяющегося газгидратом, жидкой углекислотой и снова газгидратом. В полярных районах в верхней части зона может состоять из сухого льда или твердой углекислоты, ниже сменяющейся жидкой углекислотой и газгидратом. Таким образом, криогенная оболочка Марса развита по всей его поверхности и имеет трехслойную структуру.

В пределах широтного пояса от 50° с. ш. до 50° ю. ш. наблюдается испарение льда, содержащегося в поверхностных породах вследствие дефицита насыщения атмосферы водяным паром. Поэтому здесь с поверхности должен находиться слой морозных, т. е. холодных сухих пород, а мерзлые породы, содержащие лед, должны располагаться несколько ниже. Для определения положения кровли мерзлых пород Р. О. Кузьмин использовал строение выбросов некоторых свежих метеоритных кратеров, напоминающих грязевые потоки на Земле. Появление таких выбросов объясняется тем, что при метеоритных взрывах происходит плавление ледосодержащих пород и последующее растекание разжиженного материала выбросов при падении его на поверхность. Поэтому присущие кратерам потоковидные выбросы могут служить показателем вскрытия мерзлых пород, а зная глубину кратера, можно говорить и о глубине залегания мерзлых пород. На основании этого предполагается, что в экваториальной зоне граница между морозными и мерзлыми породами находится на глубине около 350 м от поверхности; в направлении к полюсам она постепенно поднимается, и на широте 70-80° непосредственно на поверхности существует уже лед. Согласно расчетам Р. О. Кузьмина, в криолитосфере Марса содержится 5*10 22г воды, что почти в 100 раз превышает ее количество в подземных льдах Земли.