Марсианская орбитальная станция обнаружила крупные залежи водяного льда на глубине несколько сотен метров под поверхностью Марса вдоль экватора. Запасов этой воды хватило бы, чтобы покрыть всю территорию Марса водой слоем 1,5-3 метра.
Открытие сделали по данным радарной съёмки корабля Mars Express, который уже двадцать лет находится на марсианской орбите. Раньше признаки водяного льда уже находили в тропических широтах и даже в районе экватора планеты, но в этот раз количество обнаруженного в «необычном» месте льда намного превосходит предыдущие находки.
Больше 15 лет назад орбитальный аппарат Mars Express начал изучать формацию под названием Medusae Fossae («Борозды Медузы») вблизи экватора. Она представляет собой вытянутую на 5 тысяч километров прерывистую область рыхлых отложений. Глубина этих отложений по данным космической радарной съёмки — до 2,5 километров. Формация начинается от южного подножия годы Олимп и доходит до кратера Гейла (где работает марсоход Curiosity) и находится как раз на границе между низинной и горной областями поверхности Марса (соответственно северное и южное полушарие). Этот участок — наиболее обильный источник марсианской пыли. Происхождение формации неясно, считается, что она может быть образована вулканическими отложениями вулкана Олимп и нескольких других в эпоху, когда вулканы на Марсе были активными. Во всяком случае возраст формации определяют как амазонский — это самая молодая из трёх марсианских геологических эпох.
Формацию заново исследовали по данным радара MARSIS на аппарате Mars Express. Во-первых, это позволило сместить первоначальную оценку глубины отложений — вероятно, они уходят вглубь почти на четыре километра. Но главное — в отложениях наблюдается слоистость, то есть чередование пород с разными диэлектрическими и плотностными свойствами и наличие чётких границ между слоями, от которых отражается сигнал. Слоистость осадочных пород хорошо знакома земным геологам, и обнаружение таких границ — суть любого метода разведки недр включая радарную съёмку. Заново проинтерпретированный радарный отклик от формации на марсианском экваторе напоминает сигнал на ледяных полярных шапках Марса, на которых уже уверенно установлено существование льда не только в виде замёрзшей углекислоты, но и обычной воды. Статья в Geophysical Research Letters о глубинном зондировании этой экваториальной зоны Марса вышла в конце января 2024 года.
Съёмка Mars Express показывала, что формация достаточно прозрачна для луча радара и сложена породами низкой плотности. Отложения льда на Земле как раз обладают такими свойствами. Хотя из рассмотрения нельзя изначально исключать «сухую» гипотезу: формация представляет рыхлый сухой грунт — смесь вулканического пепла, пылевых наносов и другого осадочного материала. Но если бы породы были только из марсианской пыли, они должны были значительно уплотниться под собственным весом. В этом случае инструмент MARSIS увидел бы совсем другую картину распределения плотности.
Новые результаты указывают на чередование слоёв пыли и льда. На поверхности располагается защитный слой отложений из сухой пыли и вулканического пепла толщиной несколько сотен метров, который защищает марсианский лёд от испарения. Массивные залежи льда возле экватора не могли сформироваться в сегодняшнем марсианском климате — при современных температурах и давлении атмосферы лёд, как и жидкая вода на поверхности существовать не могут — они должны почти мгновенно испаряться. Таким образом, подобные залежи должны были остаться от предыдущих климатических эпох и выжили только благодаря полукилометровому слою марсианского грунта.
Подповерхностный лёд на Марсе находили в некоторых количествах и раньше. Так, аппарат «Феникс» с небольшой бурильной установкой ещё в 2008 году откопал лёд прямо под слоем марсианской пыли в районе полюса. В «Бороздах Медузы» вблизи экватора следы воды впервые обнаружили ещё в 2009 году по данным зонда Mars Odyssey. Аппарат Mars Express может исследовать структуру недр на глубину в несколько километров. Ранее он уже находил лёд в средних широтах планеты.
Запасы воды и льда вблизи поверхности можно исследовать при помощи инструментов на нескольких марсианских орбитальных станциях, например, TGO (Trace Gas Orbiter»), совместном проекте ESA и Роскосмоса. Один из инструментов TGO — детектор нейтронов FREND. Он позволяет находить водород — индикатор водяного льда в приповерхностных слоях марсианского грунта на глубинах порядка метра. В 2021 году FREND обнаружил обширную область с залежами водяного льда в долине Valles Marineris. Кроме того, в восточной части структуры Noctis Labyrintis на широте всего 7 градусов южнее марсианского экватора недавно обнаружили остатки древнего ледника, то есть моренные гряды и другие формы ледникового рельефа. Удивительнее то, что такие структуры, как и свидетельства крупных залежей льда, теперь находят вблизи экватора.
Лёд под поверхностью Марса на низких и экваториальных широтах указывает на то, насколько климат планеты мог отличаться от сегодняшнего в геологическом прошлом. Но первый вопрос — каким образом он мог образоваться, да ещё и на экваторе? Одна из гипотез связывает изменение марсианского климата с наклоном его оси вращения. Сейчас ось планеты наклонена к плоскости обращения вокруг Солнца под углом 25° — примерно так же, как и на Земле (23,5°). На Земле такой наклон обуславливает чередование в умеренных широтах привычных нам четырёх сезонов из-за изменения угла падения солнечных лучей в течение года. На Марсе в настоящую эпоху наблюдается аналогичная смена сезонов. Но в прошлом наклон оси вращения менялся, как мы предполагаем, достаточно хаотично и мог достигать от 10 до 60 градусов (на Земле стабилизации оси вращения на длительных промежутках времени помогает её массивный спутник — Луна). В периоды, когда наклон оси Марса был высок, то есть ось вытянута по направлению практически на Солнце, и планета почти «лежит на боку», как Уран, на экваторе могли бы формироваться залежи льда, которые оказались потом покрыты марсианской пылью и пеплом от активных вулканов.
Напомним, что аналогичные построения применяются и для Земли. Речь идёт, например, о достаточно популярной гипотезе Миланковича, которая связывает климатические циклы на Земле с периодическими изменениями нескольких параметров орбиты, включая колебания наклона земной оси (нутацию).
Подготовка материала: Сергей Шапиро