Марс и Земля: чем они отличаются?

Миллиарды лет назад, когда Солнце было не таким горячим и ярким, в Солнечной системе существовало как минимум две планеты с большими запасами воды в жидкой форме — Марс и Земля. Кроме огромных океанов, занимающих большую часть поверхности, обе планеты имели ранние атмосферы с высоким содержанием CO₂.

Ни одна из них не была полностью заморожена из-за достаточного присутствия парниковых газов, и у обоих, возможно, даже были примитивные формы жизни в их молодых океанах. Но сейчас на Марсе осталось так мало атмосферы, что чистая жидкая вода фактически невозможна. На поверхности просто недостаточно давления для существования жидкой H₂O.

Но если эти две планеты были так похожи, то почему сейчас они так радикально отличаются? Почему Земля голубая и живая, а Марс красный и мертвый?

За последние несколько миллиардов лет обе планеты претерпели драматические изменения, и потребовались десятилетия, чтобы наука наконец разобралась в причинах. Поэтому для ответа на этот вопрос необходимо копнуть поглубже (почти буквально).

Мыс Сент-Винсент на краю кратера Виктория. Многослойные слои почвы свидетельствуют об истории осадочных пород, что в свою очередь свидетельствует о наличии в прошлом жидкой воды на Марсе.

Осадочные породы Земли

Одной из особенностей Земли является факт, что история жизни в нашем мире записана в летописи окаменелостей. В течение сотен миллионов лет осадки оседали как на суше, так и в океанах, а различные организмы оставляли в них свои отпечатки.

Из всех осадочных пород на Земле около 10% составляют известняки, которые часто состоят из останков морских организмов, таких как кораллы, амебы, водоросли, планктон и моллюски. Известняк в основном состоит из карбоната кальция, но некоторые его формы также содержат магний и кремний.

Слои осадочных пород на стенках Гранд-каньона — это как учебник для геолога.

«Карбонатная» составляющая — основа для известняка на Земле, а также для других отложенных в океане минералов, таких как богатый магнием доломит. Одним из главных виновников этих карбонатных отложений является углекислый газ, находящийся в атмосфере, потому что:

1. Газообразный CO₂ поглощается океаном, пока не будет достигнута точка равновесия.
2. Поглощенный углекислый газ соединяется с минералами (такими как кальций, магний и т. д.), содержащимися в воде.
3. Образуются зерна или химические осадки, которые затем оседают на дне океана, что приводит к образованию осадочных пород.

Существуют как биологические, так и геохимические источники известняка, что делает его одной из самых распространенных пород на поверхности Земли. Обычно считается, что подавляющее большинство ранней атмосферы Земли, содержащей СО_2, в конечном итоге попало в наш поверхностный известняк.

Осадочные породы Марса

Поскольку ранние атмосферы Красной планеты и Земли были богаты СО₂, и на этих планетах были океаны, предполагалось, что на марсианской поверхности будут обнаружены известняковые и другие карбонатные породы. Но к удивлению ученых, марсоходы Viking, Soujourner, Spirit и Opportunity их не обнаружили. И лишь с приземлением Mars Phoenix карбонат кальция был обнаружен, но в очень небольшом количестве (вероятно, образовавшийся в результате испарения воды на последних этапах).

По сравнению с сотнями метров (а местами даже более километра) карбонатных пород на Земле, на Марсе не было ничего подобного. Это было необычайно загадочным для ученых. Да, 20 лет назад, основным предположением было то, что Марс потерял свой углекислый газ так же, как Земля: из атмосферы в океаны, а затем в осаждение в карбонатных породах. Предположение не подтвердилось, однако учёные смогли найти кое-что другое.

Хребет «Пейсон» — это особенность, найденная на Марсе марсоходом Opportunity, происхождение которой до сих пор не объяснено даже сегодня. Многие из скалистых месторождений, найденных на Марсе, содержат серу, в то время как относительно немногие содержат углерод. Это было одной из величайших загадок марсианской поверхности на протяжении многих лет. (Изображение: NASA/JPL/CORNELL).

Вместо карбонатов, они нашли богатые серой минералы. В частности, открытие Opportunity минерального ярозита полностью изменило понимание, что произошло с Марсом. Дело в том, что земные океаны примерно нейтральны по pH. Это чрезвычайно способствует выпадению в осадок карбонатных пород и образованию известняков и доломитов по всей поверхности Земли.

Но марсианская сера все меняет. Если на раннем Марсе была атмосфера, богатая не только углекислым газом, но и двуокисью серы, то на его поверхностные воды могла повлиять не углекислота, а серная кислота — одна из самых сильных кислот во всей химии. При достаточно кислых океанах, это могло бы вызвать реакцию — обратную земной: высасывать карбонаты из суши в океаны, оставляя на их месте богатые серой отложения.

Это объясняет химию океана и поверхности Марса, но мы получили новую загадку. Куда ушла атмосфера Марса? В то время как большая часть атмосферы Земли попала в земные отложения, это объяснение не подходит для Марса.

Вместо «вниз» в землю, возможно, марсианская атмосфера пошла «вверх» в космос? Давайте разберемся.

Что превратило Марс в безжизненную красную планету?

Возможно, что Марс, как и Земля, когда-то имел магнитное поле, защищающее атмосферу от солнечного ветра. Но имея размер, равный половине диаметра Земли, а также ядро уступающее земному в размере и плотности, Марс мог остыть настолько, что его активное магнитное динамо остановилось. И, возможно, это был поворотный момент: без защитного магнитного экрана не было ничего, что могло бы защитить атмосферу от натиска солнечных ионизированных частиц.

Солнечный ветер подвергает риску разрушения любую атмосферу в Солнечной системе. Но в то время как магнитное поле Земли активно защищает нашу планету от этих ионизированных частиц, у Марса больше нет подобной защиты. (Изображение: NASA/GSFC).

Неужели все так и было? Неужели именно так Марс потерял всю свою воду и превратился в холодную и бесплодную красную планету? Выяснить это было основной целью миссии MAVEN (от англ. Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN — «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе»).

Во время миссии MAVEN была измерена скорость, с которой Марс теряет атмосферу сейчас, чтобы экстраполировать это на более длительный отрезок. Данные показали, что около 100 грамм атмосферы уходит в космос каждую секунду, но во время вспышек, когда солнечный ветер становится намного сильнее, чем обычно, этот показатель увеличивается примерно в двадцать раз по сравнению с обычным значением. Более того, когда атмосфера была намного более плотной, тот же уровень солнечного ветра удалял её в несравнимо больших количествах, чем сейчас.

Без защиты активного магнитного поля солнечный ветер постоянно «сдувает» атмосферу Марса в космос. (Изображение: LUNDIN ET AL. (2004) SCIENCE, VOL. 305. НЕТ. 5692, СТР. 1933–1936).

Если наложить подобные обстоятельства на временной масштаб, то всего около 100 миллионов лет было бы достаточно, чтобы преобразовать мир размером с Марс, который похож на Землю, в то, что из себя представляет Красная планета сейчас.

Подведем итог

Марс и Земля имели ранние атмосферы, которые были необычайно богаты углекислым газом. Но в то время как углекислый газ Земли поглощался океанами и запирался в карбонатных породах, Марс был неспособен сделать то же самое, поскольку его океаны были слишком кислотными из-за двуокиси серы. Все это привело к идее, что виновником «осушения» Марса является солнечный ветер, она и была подтверждена миссией MAVEN.