Полярные шапки
Полярные шапки - белые пятна на глобусе Марса и в буквальном, и в переносном смысле слова, это очень заметные детали даже с Земли, меняющие свои очертания в зависимости от времен года на Марсе - то разрастающиеся, то почти исчезающие. Когда на одном полушарии планеты на смену осени приходит зима, соответствующая шапка начинает расти, на другом полушарии в это время лето и там протекает обратный процесс. При этом в южном полушарии зимой холоднее, но зато летом теплее, чем в северном. С приходом весны полярная шапка начинает уменьшаться и к концу марсианского июля почти исчезает на южном полюсе, северная же шапка намного больше. Такая картина повторяется из года в год. В середине зимы полярные шапки занимают поверхность до 50° по широте. Нетающие, остаточные части шапок сформированы из мощных слоистых отложений. На снимках, сделанных издалека, они выглядят как вихреобразные образования, которые на более детальных снимках превращаются в систему уступов, террас и депрессий. Отложения, слагающие остаточные полярные шапки планеты, представляют собой слои льда, смешанного с тонкозернистым и лессоподобным материалом. Судя по температурному режиму полярных областей, в формировании остаточных ("вечных") полярных шапок главную роль играет лед Н2O.
Инфракрасное картирование поверхности Марса показало, что в летний период температура северной полярной шапки не опускается ниже -70 °С. Это исключает возможность устойчивого существования (в этот период года) на шапках льда CO2. Северная остаточная шапка Марса в настоящее время гораздо крупнее (около 1000 км в поперечнике) своего южного аналога (около 300 км), поскольку южное полушарие в летний период находится в перигелии, т. е. заметно ближе к Солнцу. Также этому могло способствовать более низкое положение поверхности северного полушария. Здесь расположены обширные низменности, в которых в течение миллионов лет могли накапливаться мощные толщи тонкозернистого материала, сносимого с материковых возвышенностей южного полушария.. Такие осадочные отложения в условиях сурового климата Марса и могли стать наиболее крупным потенциальным резервуаром для накопления льда.
Таким образом, предполагается, что полярные образования Марса представляют собой вместилище значительных запасов водяного льда. При этом полярные шапки Марса состоят из двух слоев. Нижний, основной слой, с толщиной, оцениваемой в сотни метров, образован обычным водяным льдом, смешанным с пылью, который сохраняется и в летний период. Это постоянные шапки. Наблюдаемые сезонные изменения полярных шапок происходят за счет верхнего слоя толщиной менее 1 метра, состоящего из твердой углекислоты, так называемого "сухого льда". Покрываемая этим слоем площадь быстро растет в зимний период, достигая параллели 50 градусов, а иногда и переходя этот рубеж. Весной с повышением температуры этот слой испаряется и остается лишь постоянная шапка.
На этом снимке, сделанном 13 марта 1999 г в начале этапа картографирования планеты "Марс Глобал Сервейором", представлена Северная полярная шапка в ее летнем виде. Светлые области - остаточный водяной лед, который лежит все лето. Полоса темного материала, окружающего полярную шапку - песчаные ветровые дюны. Диаметр полярной шапки составляет примерно 1100 км в поперечнике.
Вот еще один снимок северной полярной шапки, сделанный весной 1999-го, - в северном полушарии лето и полярная шапка заметно отступила. Снимок высокого разрешения показывает край отступающей шапки - ветровые светлые полосы слева снизу. Гряды и маленькие бугры и ямы сверху и справа - части слоистых отложений полярной шапки - наслоения пыли и льда, откладываемые тысячелетиями. Поле снимка - 2.6 км шириной, освещение - справа сверху.
Южная полярная шапка:
Ниже находится мозаика снимков южного полюса Марса, сделанных аппаратом "Викинг-2" в сентябре 1977г. Южный полюс находится ниже центра кадра у нижнего правого края полярной шапки. Поперечник шапки на этой мозаике порядка 400 км.
Следующая фотография также показывает южную полярную шапку. Снимок, полученный "Марс Глобал Сервейором", демонстрирует район, окружающий марсианскую полярную шапку, которая в разгар весны южного полушария имеет поперечник около 400 километров. В это время ледяная шапка, состоящая в основном из замерзшего углекислого газа (сухого льда) с примесью водяного льда, начинает уменьшаться в размерах, по мере того как льды сублимируются. Вдоль нижней части снимка простираются туман и облака, состоящие из ледяных кристаллов, а справа вверху ближе к ночной стороне Красной планеты видны более темные области, уже освобожденные ото льда.
Данные, собранные "Марс Глобал Сервейором", позволяют проследить, как меняются во времени размеры и плотность ледяных шапок. Результаты последних исследований говорят, что вдобавок к сезонным изменениям южная полярная шапка Марса в течение последних нескольких лет сократилась в размерах, что является ярким свидетельством изменения марсианского климата. При измеренной скорости уменьшения полярной шапки рост содержания углекислого газа в атмосфере может заметно увеличить атмосферное давление Марса, удвоив его за время порядка сотен или тысяч марсианских лет.
Следующий снимок показывает участок остаточной (летней) южной полярной шапки Марса. Ее поверхность покрыта полигональной сетью мелких канав и большими округлыми ямами, образовавшимися из-за провалов. Неизвестно, как образовались эти ямы и откуда у них такая удивительная округлая копытообразная форма. Ясно, что это провалы, - значит, какой-то материал снизу был устранен - вероятно, лед. Глубина ям - несколько метров.
Размер снимка 3 на 3 км, разрешение - 1,5 м на пиксель.
Похоже на предыдущее и следующее изображение - трудно объясним и загадочен механизм образования ландшафта, состоящего из плоских возвышенностей высотой около 4 метров и круглых впадин поперечником более 100 метров. Такая уникальная "сырная" топография встречается только на южной полярной шапке Марса. Предполагается, что в химическом составе поверхности здесь доминирует замерзший углекислый газ (сухой лед), который и может играть существенную роль и в процессе возникновения странного ландшафта. На приведенном изображении солнечный свет падает на марсианскую поверхность справа сверху. Данный снимок был получен в августе 1999 года "Марс Глобал Сервейором".
На Земле геологи используют слоистые породы для чтения геологической истории. Еще один вид такой "летописи" представляют собой льды Гренландии и Антарктиды. Слоистые скалы и слоистые полярные отложения на Марсе могут сохранить аналогичную запись геологической истории планеты.
Марсианские северная и южная полярные шапки на больших площадях покрыты слоистыми отложениями. Со времени открытия в начале 1970-х на эти полярные отложения ссылались как на свидетельство того, что марсианский климат циклически менялся. Предполагается, что детальное исследование полярных слоев выявило бы климатическую историю Марса так же, как колонки антарктического льда помогают выявить историю земного климата.
Данный снимок, сделанный 30 июля 1998 г., показывает край постоянной полярной шапки. На склоне можно различить десятки слоев - намного больше, чем было видно на снимках Викингов в 1970-х. У слоев разная толщина, у некоторых меньше 10 метров, и разные физические свойства. Некоторые слои обрываются круче других, что означает большую прочность против эрозии. Более прочные слои, вероятно, чем-то сцементированы - скорее всего, льдом. У всех слоев грубая текстура - результат эрозии.
Большое количество слоев отложений - важный факт, дающий надежду, что будущие исследования полярных отложений посадочными аппаратами и, возможно, человеком в конце концов прояснят историю марсианского климата, записанную в них.
Приблизительные оценки дают скорость отложений порядка 0.1 миллиметра в год. Значит, 10-метровый слой накапливается за 100 000 лет - это совпадает с оценками цикличности марсианского климата, связанных с прецессией оси вращения планеты.
Участок северной полярной шапки, сфотографированный "Марс Глобал Сервейором". Предполагается, что низкие темные слои на этом изображении содержат большие количества песка, в то время как высокие светлые слои содержат большое количество водяного льда. Изображение охватывает область примерно в 5 километров.
Весна на Марсе - время пылевых бурь. Они возникают, когда испаряется замерзшая углекислота зимних полярных шапок, которые простираются до средних широт. Несколько факторов, складываясь, приводят к пылевым бурям: атмосферное давление увеличивается с сублимацией замерзшего СО2, в более плотной атмосфере легче поднимается и дольше держится пыль - устанавливается высокий температурный контраст между покрытой углекислотной изморозью и рядом лежащей оттаявшей поверхностями. Это вызывает ветры, дующие с краев полярной шапки - аналогично возникают ветры с высоких центральных областей шапок к более темным низким и теплым окраинным областям.
На снимке, сделанном 29 августа 2000 г., видна марсианская пылевая буря. Буря расходится фронтом от центральной струи, простираясь на 900 км от полярной шапки. Видны краевые вихри.
Пылевые бури играют важную роль в формировании марсианского климата. Редкие глобальные штормы меняют тепловой баланс планеты и ход намерзания и испарения полярных шапок, а также влияют на распределение водяного пара. Региональные бури, особенно полярные, влияют на скорость сезонных изменений шапок и задают местную погоду.
Пылевые бури в районе северного полюса. Замерзшая двуокись углерода покрывает основную часть северной полярной области. На изображении можно различить облачные структуры, соответствующие по крайней мере трем пылевым бурям. Изображение получено "Марс Глобал Сервейором". |
