2198
У верхніх шарах атмосфери Марса існує прихована межа, яка визначає, які гази можуть утекти в космос, а які залишаються «замкненими» нижче. Цю перехідну зону називають гомопаузою. Нове дослідження, описане на ресурсі Scienmag, дає найповнішу на сьогодні картину того, як ця межа змінюється по всій планеті: від сезонних коливань і добових циклів до різких стрибків під час пилових бур.
Результати мають велике значення для розуміння того, як Марс втратив значну частину своєї атмосфери за мільярди років, і пропонують практичний інструмент для моделей хімії та втечі газів з марсіанської атмосфери.
Що таке гомопауза і чому вона важлива
Нижче гомопаузи розташована гомосфера — шар, де турбулентне перемішування робить склад довгоживучих газів майже однаковим на різних висотах. Усі компоненти поділяють спільну «масштабну висоту», визначену середньою молекулярною масою повітря.
Вище починається гетеросфера, де домінує молекулярна дифузія: кожен газ розподіляється за висотою відповідно до власної молекулярної маси. Важчі гази, як-от аргон, швидко зникають з висотою, тоді як легші простягаються значно вище. Саме це розшарування визначає, які молекули опиняються в зоні, де їх можуть «здувати» процеси втечі в космос, тому висота гомопаузи безпосередньо впливає на втрату атмосфери.
Як моделювали марсіанську гомопаузу
Команда під керівництвом Хуана Алдая (Juan Alday) з Інституту астрофізики Андалусії та Відкритого університету у Великій Британії, разом із Франсіско Гонсалес-Галіндо (Francisco González-Galindo) та міжнародними колегами, використала Mars Planetary Climate Model — глобальну кліматичну модель, що охоплює атмосферу Марса від поверхні до екзосфери.
Щоб відстежити гомопаузу, дослідники аналізували співвідношення аргону до молекулярного азоту. Обидва гази хімічно інертні й добре перемішані на малих висотах, але вище гомопаузи починають розділятися, оскільки аргон важчий (молекулярна маса 40 проти 28 у азоту).
Було розроблено два методи визначення висоти межі за профілями густини з моделі:
- за висотою, де співвідношення Ar/N2 падає на 5% від «нижньоатмосферного» значення;
- за точкою перегину (зміни кривизни) профілю цього співвідношення.
У більшості регіонів обидва підходи давали схожі результати, але над полюсами розходилися на десятки кілометрів. Там сильні низхідні потоки зимової циркуляції Хедлі затягують згори повітря, збіднене азотом, і порушують припущення про добре перемішану атмосферу нижче гомопаузи. У підсумку дослідники віддали перевагу методу за кривизною, зазначивши, що перехід у співвідношенні Ar/N2 різкіший, ніж у вмісті вуглекислого газу, який використовували в попередніх роботах і який зазвичай давав оцінки на 5–10 км вище.
Сезонні та добові коливання межі
Моделювання показало виразну сезонну картину. Гомопауза досягає найбільших висот над літніми полюсами: приблизно 120 км над широтами вище 60° пн. під час північного літа та близько 130 км над відповідними південними широтами в південне літо.
У зимовій півкулі, навпаки, гомопауза опускається до мінімумів — до 60–90 км над південним полярним регіоном у період південної зими. Такі асиметрії пов’язані з глобальною циркуляцією: під час сонцестоянь домінує одна велика комірка Хедлі, центрована біля 30° широти в літній півкулі. У південне літо ця циркуляція посилюється, оскільки Марс перебуває поблизу перигелію — найближчої до Сонця точки орбіти. Додаткове нагрівання, підвищений вміст пилу та рельєф планети посилюють перемішування, а фізичне розширення атмосфери ще більше піднімає гомопаузу.
Під час рівнодень, коли діють дві слабші, приблизно симетричні комірки Хедлі, гомопауза стабілізується на висотах 90–110 км. При цьому значення восени приблизно на 10 км вищі, ніж навесні, через різну відстань Марса до Сонця.
Не менш вражає діапазон тисків, на яких розташована гомопауза. Замість того щоб «прив’язуватися» до певного рівня тиску, вона блукає в межах чотирьох порядків — від приблизно 10−4 до 10−1 паскалів, із типовим значенням близько 0,3 мілліпаскаля. Це підтверджує натяки з місії NASA MAVEN: зміни висоти гомопаузи — це не просто «дихання» атмосфери з сезонами, а справжні коливання сили турбулентного перемішування, зумовлені хвилями та атмосферними припливами.
Температури на рівні гомопаузи поводяться спокійніше: переважно в межах 100–150 К. Середня температура зростає від близько 115 К на висотах понад 110 км до 142 К нижче 80 км.
Модель також передбачає виразний добовий цикл. У більшості широт і сезонів гомопауза досягає максимуму вдень, між 12:00 та 18:00 місцевого часу, і опускається до мінімуму перед світанком, близько 5:00–7:00. Типова амплітуда день-ніч становить 5–15 км, а найбільші коливання, до 30–40 км, трапляються в перехідні сезони на широтах 40–70°. Там гомопауза може різко «обвалюватися» в ранні ранкові години, коли циркуляція перебудовується між конфігураціями сонцестоянь і рівнодень.
Атмосферні припливи додають складності, формуючи подекуди подвійні піки протягом доби на середніх широтах зимової півкулі — вони віддзеркалюють добре відомий напівдобовий приплив у тиску та температурі біля поверхні Марса. Натомість над літнім полюсом у період безперервного дня та над зимовим полюсом у полярну ніч гомопауза майже не рухається, «зафіксована» сталими умовами освітлення.
Вплив пилових бур і міжрічна мінливість
Пилові бурі вносять додатковий рівень мінливості. Коли команда прогнала модель для окремих марсіанських років (MY32–MY35) з урахуванням реальних змін пилового навантаження та сонячного потоку, виявилося, що регіональні бурі та глобальна буря року MY34 піднімали гомопаузу на 10–20 км залежно від інтенсивності події.
Це узгоджується з аналізами даних MAVEN, які показали зростання висоти гомопаузи під час розвитку планетарної пилової бурі 2018 року та її зниження після згасання бурі. Позаяк поза пиловими подіями міжрічні відмінності 5–10 км зосереджуються переважно навколо рівнодень і над південним полярним регіоном у першій половині року, літні півкулі біля сонцестоянь виявляються напрочуд стабільними від року до року. Це свідчить, що потужна, самопідтримувана циркуляція в період сонцестоянь «якорить» гомопаузу, тоді як слабша рівноденна циркуляція залишає її більш чутливою до планетарних хвиль та інших тимчасових явищ.
Перевірка моделлю спостережень MAVEN і ExoMars
Щоб перевірити надійність моделі, дослідники порівняли її прогнози з двома незалежними наборами спостережень.
Перший — вимірювання нейтральних газів аргону та азоту приладом NGIMS на борту апарата NASA MAVEN у 2015–2020 роках. Вони дали середню висоту гомопаузи близько 110 км зі стандартним відхиленням приблизно 12 км — практично ідентично модельним 110 ± 11 км.
Застосувавши ту саму методику обробки до синтетичних даних, витягнутих із моделі в ті самі місця й моменти, що й реальні вимірювання MAVEN, команда змогла оцінити приховані похибки самого методу. Виявилося, що в зимових полярних регіонах, де низхідні потоки спотворюють співвідношення Ar/N2, стандартний підхід систематично недооцінює висоту гомопаузи. Тому різке падіння гомопаузи над зимовим полюсом, яке випливає з даних MAVEN, слід тлумачити обережно. Дослідники також дійшли висновку, що густини CO2 на рівні гомопаузи, отримані з цих даних, імовірно занижені — ця похибка проявляється навіть тоді, коли метод застосовують до модельних профілів.
Загалом модель добре відтворює величину та широтно-сезонну структуру гомопаузи, хоча, схоже, недооцінює силу добового циклу: у деякі сезони спостережувана висота гомопаузи вдень приблизно на 20 км вища за змодельовану.
Другий набір спостережень — профілі тиску, температури та густини CO2 за методом сонячних покриттів із приладу Atmospheric Chemistry Suite на борту орбітального апарата ESA ExoMars Trace Gas Orbiter. Тут застосували опубліковану методику, яка визначає так звану турбопаузу — рівень, де коефіцієнти турбулентної та молекулярної дифузії рівні.
Коли цю методику застосували до модельних профілів, вона відтворила висоту гомопаузи із середньою різницею лише 0,2 ± 6,1 км. Водночас припущення про фіксоване еталонне значення коефіцієнта турбулентної дифузії може давати похибки до 20 км у певні періоди й регіони, а просте подвоєння чи зменшення цього коефіцієнта вдвічі зміщує оцінену висоту приблизно на 10 км.
Порівняння з реальними даними TGO показало середню різницю 1,2 ± 7,9 км, що підтверджує: модель правильно відстежує сезонні тренди.
Практичний інструмент для майбутніх моделей втечі газів
На завершення команда перетворила результати моделювання на безпосередньо корисний інструмент — параметризацію коефіцієнта турбулентної (eddy) дифузії для одновимірних моделей фотохімії та втечі газів. Такі моделі жертвують повною тривимірною динамікою заради детальнішого опису хімічних реакцій і процесів втечі.
Запустивши одновимірну дифузійну модель для профілів аргону та азоту й підбираючи силу перемішування, яка найкраще відтворює глобальну модель, дослідники показали, що поблизу гомопаузи найкраще працює сталий коефіцієнт турбулентної дифузії. Вони побудували гібридний профіль: на нижчих висотах він слідує за залежністю від густини, запропонованою раніше на основі даних про CO та CO2 з TGO, а нижче гомопаузи насичується до сталої величини.
За повний марсіанський рік отриманий коефіцієнт змінюється в межах одного–двох порядків, і команда подає просту лінійну залежність, що пов’язує його значення з висотою гомопаузи. Завдяки цьому майбутні моделі втечі водню та води з Марса, які сильно залежать від сезонів і пилових бур, зможуть ураховувати реалістично змінну гомопаузу. Це наближає дослідження довготривалої втрати атмосфери Червоної планети до більш реалістичного опису.
Моделі показали, як межа гомопаузи на Марсі стрибає з сезонами з’явилася спочатку на Цікавості.
