Что мешает водяному пару разрушать озон на Марсе?
Группа российских и французских исследователей под руководством Франка Лефевра проанализировала данные за четыре марсианских года, полученные спектрометром SPICAM на борту европейского космического аппарата «Марс-Экспресс».
Марсианская атмосфера на 95% состоит из углекислого газа CO2. Оставшиеся 5% приходятся на азот (около 3%), аргон (менее 2%) и так называемые малые составляющие (общая доля менее 1%), в их числе водяной пар, кислород, озон и другие вещества, химические превращения между которыми чрезвычайно интересны, но пока ещё мало изучены. Озон рождается в атмосфере Марса в ходе разрушения молекул углекислого газа CO2 под действием ультрафиолетового излучения Солнца — получающийся атомарный кислород соединяется в молекулы озона O3. Одновременно разрушаются и молекулы водяного пара H2O, производя в числе продуктов распада радикалы HOx. Они, в свою очередь, вступают в реакцию с озоном и разрушают его. Таким образом, в атмосфере Марса (и не только его) количество водяного пара должно обратно коррелировать с количеством озона: чем больше первого, тем меньше последнего, и наоборот.
Длительные ряды измерений концентрации озона, полученные прибором SPICAM в ультрафиолетовом диапазоне спектра, и водяного пара — в инфракрасном диапазоне подтвердили обратное соотношение между количеством озона и водяного пара в области высоких широт (от 60° в южном и северном полушариях). Эти данные исследователи попробовали воспроизвести с помощью глобальной климатической модели марсианской атмосферы, которая была разработана в начале 2000-х годов и с тех пор постоянно совершенствуется. Однако они потерпели неудачу — при наблюдаемой концентрации водяного пара соответствующее содержание озона, согласно модели, должно быть в два раза ниже измеренного. То есть «эффективность» радикалов HOx как разрушителей озона в модели преувеличена.
В чём причина несогласия? Авторы исследования попробовали учесть в модели тот факт, что реакции фотолиза CO2 или скорости химических реакций с радикалами HOx недостаточно точны. Например, они могут идти более медленно при низких марсианских температурах. Но проблему это не решило. Второе предположение — радикалы HOx способны эффективно взаимодействовать с частицами облаков ещё до того, как вступают в реакцию с озоном, — принесло некоторый успех. Модель стала лучше предсказывать реальные наблюдаемые концентрации озона, но только для очень высоких северных широт. Планетологи вспомнили, что ранее SPICAM обнаружил, что водяной пар на Марсе может подниматься до гораздо больших высот, чем считалось прежде. Все эти данные в совокупности означают, что фотохимические модели марсианской атмосферы следует пересмотреть.
В пользу того, что с химией водорода и озона в марсианской атмосфере понятно не всё, свидетельствуют и результаты, полученные ранее российским прибором ACS (от англ. Atmospheric Chemistry Suite), размещённым на аппарате TGO (Trace Gas Orbiter) российско-европейской миссии «ЭкзоМарс-2016». За время своей работы он, в частности, обнаружил линии поглощения углекислого газа и озона, которые не наблюдались раньше ни на Земле, ни в космосе. Их учёт, возможно, важен для более полного понимания атмосферы планеты. Другое открытие ACS — хлор-водород HCl, который активно взаимодействует с озоном. Кроме того, наблюдения с помощью этого прибора показали падение содержания угарного газа СО в атмосфере Красной планеты с увеличением в ней концентрации водяного пара, гидроксильные группы которого (OH¯) превращают СО в углекислый газ.
Изучение марсианского озона прямо связано с исследованием озона в атмосфере Земли. За основу фотохимической модели Марса была взята модель мезосферы Земли. На высоте между 40—80 км газовая оболочка нашей планеты напоминает марсианскую. И хотя озоновый слой в земной атмосфере располагается ниже, химические реакции, в которые он вступает, в том числе взаимодействие с радикалами HOx и хлором, в общем, те же, что и на Марсе.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Journal of Geophyscial Research: Planets».
По информации пресс-службы Института космических исследований РАН.
***
«Марс-Экспресс» — первая экспедиция Европейского космического агентства для исследования Марса (атмосферы, поверхности, климата и окружающего пространства) с орбиты его искусственного спутника. Стартовала 3 июня 2003 года на космодроме Байконур. Проект был задуман после неудачи россий-ского аппарата «Марс-96», в котором участвовали многие европейские организации. Новая миссия должна повторить ряд экспериментов, планировавшихся на российском орбитальном аппарате (пять из семи научных приборов спутника были первоначально предназначены для «Марса-96»).
Изготовленный с участием России прибор SPICAM (The Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars — спектроскопия для исследования характеристик атмосферы Марса) способен исследовать атмосферу планеты в режиме «солнечных затмений», то есть наблюдая, как солнечный свет просвечивает слой атмосферы на краю планетного диска. Благодаря этому можно изучать распределение молекул водяного пара на разных высотах.
«ЭкзоМарс» — совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства. Реализуется в два этапа. Первая миссия (запуск осуществлён в 2016 году) включала два космических аппарата: орбитальный Trace Gas Orbiter (TGO) для наблюдения атмосферы и поверхности Марса и посадочный модуль «Скиапарелли» (Schiaparelli) для отработки технологий посадки. Посадка «Скиапарелли» прошла неудачно (см. «Наука и жизнь» № 4, 2017 г.). Аппарат TGO, предназначенный, в частности, для детального исследования атмосферы Марса, продолжает работу. На нём установлен созданный в ИКИ РАН спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suit, комплекс для изучения химии атмосферы), включающий три инфракрасных спектрометра. Приборы были сконструированы для поиска в первую очередь малых составляющих атмосферы, в том числе метана, озона, водяного пара.
Второй этап проекта (запуск в 2022 году) предусматривает доставку на поверхность Марса российской посадочной платформы «Казачок» с европейским автоматическим марсоходом «Розалинд Франклин» (Rosalind Franklin) на борту.
Статьи по теме
Читайте в любое время
