Почему сегодня Марс так сильно отличается от Земли?

в 9:01, , рубрики: ruvds_статьи, Венера, жизнь, Земля, марс
Почему сегодня Марс так сильно отличается от Земли? - 1

Примерно 4,5 миллиарда лет назад, на ранних этапах развития Солнечной системы, вблизи Солнца существовала не одна, а целых три планеты с благоприятными для жизни условиями: Венера, Земля и Марс.

С точки зрения физических условий все три планеты выглядели очень похожими. Все они обладали вулканами, водными океанами и сложными системами круговорота воды, включая облака, что позволяло этим мирам удерживать значительное количество тепла, поглощаемого ими от Солнца. И даже состав их атмосфер был схож — в них наблюдалось изобилие водорода, аммиака, метана, азота и водяного пара.

Планеты нашей Солнечной системы начали формироваться около четырёх с половиной миллиардов лет назад. Центральная протозвезда превратилась в наше Солнце, а окружающий протопланетный диск разделился на части и сформировал наши планеты, их спутники, а также пояса астероидов и пояса Койпера. Сначала сформировались планеты-гиганты, которые, вероятно, мигрировали внутрь и наружу и, возможно, выбросили наружу одну из ранних планет Солнечной системы. Остатки материи сформировали множество внутренних, каменистых, землеподобных миров, включая Меркурий, Венеру и две ещё планеты — прото-Землю и прото-Марс, которым вскоре предстояло подвергнуться массированным бомбардировкам.

В то время как столкновение гипотетического мира Тейя с Землёй привело к образованию нашей массивной Луны, столкновение астероида с ранним Марсом привело к образованию системы из трёх спутников: внешнего Деймоса, промежуточного Фобоса и внутреннего, более крупного спутника, который до наших дней не дожил. В современной марсианской системе есть только два маленьких спутника, поскольку третий, большой спутник, аналог гигантского спутника Плутона — Харона, упал обратно на Марс давным-давно, вероятно, распавшись перед этим на множество обломков.

Когда эта значительная масса упала обратно на Марс, она создала огромную разницу между двумя полушариями Марса. На одном полушарии Марса находятся огромные нагорья, и отличительной чертой этой части планеты являются кратеры и пересечённая местность. Эти возвышенности, вероятно, были континентами в те времена, когда на Марсе были океаны. Скорее всего, на это полушарие могли упасть некоторые обломки бывшего спутника, но не большая его часть.

Другое полушарие, богатое низменностями — оно на много километров ниже по высоте, чем полушарие, богатое возвышенностями, — вероятно, и представляет собой место, где большая часть массы бывшего спутника столкнулась с молодой Красной планетой. По мере накопления воды после этого события она заполнила низменности, образовав огромный марсианский океан. При этом несмотря на то, что в высокогорьях, вероятно, были озёра, реки и дожди, именно в низменностях какое-то время сохранились великие марсианские океаны.

В течение некоторого времени условия были благоприятны для потенциального возникновения жизни на всех трёх планетах, и, возможно, она в далёком прошлом реально возникла везде. Однако на всех этих планетах, кроме одной, просуществовала она недолго. На Венере появился парниковый эффект, в результате которого её океаны выкипели и превратились в ад всего через несколько сотен миллионов лет. Благоприятные условия на Марсе просуществовали гораздо дольше, прежде чем он стал совсем уж негостеприимным: возможно, целых 1,5 миллиарда лет.

Почему сегодня Марс так сильно отличается от Земли? - 2

История Марса была довольно драматичной. После падения спутника, около 3,4 миллиарда лет назад в марсианский океан упал гигантский астероид, образовав кратер шириной 110 километров и вызвав мегацунами высотой почти в 500 м, разбросав валуны и другие обломки на расстояние более 1500 километров от места столкновения.

Доказательства существования водного прошлого на Марсе, которые раньше вызывали жаркие споры, теперь просто ошеломляют: во многих местах на поверхности обнаружены осадочные породы, высохшие русла рек с изгибами в виде локтей и даже богатые солью отложения и гематитовые сферы. Однако доказательства существования этих древних океанов не были известны в то время, когда мы впервые высадились на марсианскую поверхность. Тем не менее, то, что мы обнаружили на поверхности во время первой миссии «Викинга-1», стало огромным сюрпризом для учёных, специализирующихся на изучении Марса.

Ещё до посадки «Викинга-1» было известно, что место его посадки будет находиться вблизи конца очень большого канала затопления: долины Маха. Учёные ожидали найти геологические следы древнего мегапотопа с такими отложениями, которые мы находим на Земле в местах, где в прошлом происходили наводнения. Предполагалось, что это будут валуны, вкраплённые в осадочные породы, и острова, обтекаемые течением.

Но на деле всё оказалось совсем не так. Вместо этого мы нашли большое количество валунов, разбросанных повсюду, на вершине структуры, похожей на равнину.

Почему сегодня Марс так сильно отличается от Земли? - 3Кратер Чикшулуб — один из крупнейших древних ударных кратеров на Земле, его диаметр составляет 180 километров. Падение астероида в мелководный океан вызвало массовое вымирание

Одно из правдоподобных, хотя и весьма спекулятивных объяснений может заключаться в том, что древний мегапотоп действительно имел место, но что-то ещё произошло после него, что в результате смыло его следы. Поскольку крупные валуны лежат не в верхнем слое марсианской почвы, а поверх него, высказывается предположение, что некий толстый слой выброшенной из кратеров вулканов породы накрыл сверху отложения мегапотопа.

Прошло уже более 45 лет с момента высадки «Викинга-1», и одна команда учёных нашла потенциальное объяснение наблюдений. Возможно, посадочная площадка «Викинга-1» была расположена на границе океана и континента. Картину можно объяснить, если предположить, что когда на поверхности Марса ещё были океаны, на планете случился мегапотоп, вызванный падением в марсианский океан достаточно крупного небесного тела. История похожа на историю с астероидом, упавшим на Землю около 65 миллионов лет назад, и вызвавшим, скорее всего, вымирание динозавров. Наблюдения на Марсе можно объяснить через сочетание выброса породы из кратера и связанного с ним мегацунами.

На Земле существует такое поражающее воображение человека образование, как Большой Каньон. Это глубокая речная долина длиной более 446 км и глубиной до 1600 м. Его превосходит земной каньон Колка, глубина которого достигает 2000 м. Однако их масштабы меркнут по сравнению с самым грандиозным каньоном во всей Солнечной системе: долиной Маринер на Марсе.

Упавший на поверхность Марса спутник привёл к тому, что северное и южное полушария планеты стали заметно отличаться друг от друга. Затем сочетание вулканической активности и «всплытия» утолщённой коры над мантией — так называемое изостатическое поднятие — произошло на территории, которая стала областью Тарсис на Марсе.

Однако, поскольку литосфера Марса не была подвижной, а значит, вулканические «горячие точки» не перемещались относительно поверхности планеты, на ней начали образовываться впадины, и кора в этом регионе начала раздвигаться, расширяя выпуклость Тарсиса и платообразную область, на которой она располагалась. Это могло привести к тому, что выпуклость Тарсиса начала смещаться относительно расположенных под ней вулканических очагов, а возможно, и к смещению всей марсианской коры и/или литосферы относительно этих вулканических очагов.

Стабильность коры, расположенной над мантией, зависит от изостатического равновесия – как у лодки, плывущей по океану. Если кора смещается относительно мантии, она теряет стабильность. Из-за её большой массы слабые участки начинают трескаться.

Один из этих разломов — возможно, самый крупный из всех в Солнечной системе — протянулся на 4000 километров по поверхности Марса, появился, и затем привёл к появлению современной долины Маринер. Новые места расположения вулканических очагов привели к появлению крупных марсианских вулканов, которые существуют и сегодня, включая гору Олимп, гору Альба Монс и три горы Тарсиса, которые активно растут и в настоящее время. Гора Олимп, кстати, является высочайшей горой во всей Солнечной системе.

Дополнительная вулканическая и тектоническая активность привела к дальнейшему разлому долины Маринер, включая 150-160-километровый «сдвиг» между северной и южной частями. Пока вода текла на Марсе, долина, вероятно, служила главным каналом, по которому лёд, снег и другие виды воды стекали на восток в некогда существовавший океан, создавая сеть каналов оттока, которые все ещё видны в современных альтиметрических данных.

Наконец, даже после того, как Марс стал сухой, бесплодной планетой — после того, как умерло динамо его ядра, после того, как исчезла его атмосфера, и после того, как жидкая вода уже не могла существовать на его поверхности — дальнейшие оползни, возможно, вызванные землетрясениями, тектонической активностью и/или последующими ударами, ещё больше расширили самый большой каньон из всех, за счёт заполнения его самых глубоких мест – то есть, раньше он был ещё глубже.

Почему сегодня Марс так сильно отличается от Земли? - 4

Попробуйте в полной мере оценить размеры долины Маринер. Из конца в конец его длина составляет около 4000 километров, что сравнимо с континентальной частью Соединённых Штатов или континентальной частью Австралии. В самом широком месте его ширина составляет около 200 километров от самой верхней кромки с высокими стенами до самой нижней части на противоположной стороне долины: это более чем в шесть раз превышает максимальную ширину Большого каньона на Земле. И, несмотря на то, что оползни за миллиарды лет заполнили самые большие глубины этой долины, её глубина по-прежнему составляет около 7 километров: это глубже, чем почти все океанские впадины на Земле, за исключением сверхглубоких.

Почему же сегодня Марс так сильно отличается от Земли?

Стандартное объяснение заключается в том, что Марс, будучи гораздо меньше, излучает тепло от своего ядра гораздо эффективнее, чем Земля. Это приводит к тому, что ядро внутри Марса остывает гораздо быстрее, чем ядро внутри Земли, в результате чего любое магнитное динамо, созданное Марсом, быстро исчезает, в то время как земное магнитное динамо сохраняется до сих пор. Потеря планетарного магнитного поля значительно ускоряет разрушение существовавшей ранее атмосферы Марса под действием солнечного ветра и радиации, в то время как магнитное поле Земли продолжает защищать нас (позволяя нам сохранять атмосферу) до сих пор.

Когда формируются планеты, внутри них задерживается много тепла: частично от гравитационного сжатия частиц, из которых они состоят, и частично от распада радиоактивных материалов, составляющих внутреннюю часть планеты. У тепла планеты есть только один способ вырваться наружу: излучение через поверхность планеты.

Поскольку планеты имеют сферическую форму, общее количество тепла, задерживающегося внутри, пропорционально массе планеты (которая зависит от её радиуса в кубе), но скорость, с которой это тепло излучается, пропорциональна площади поверхности планеты (которая зависит только от радиуса в квадрате).

Другими словами, чем меньше планета, тем быстрее она излучает своё внутреннее тепло. А чем быстрее она излучает своё внутреннее тепло, тем быстрее она остывает. Если у планеты есть жидкое и текучее ядро, которое вращается, перемешивается и проводит ток, планета способна создать магнитное поле, которое сохраняется в течение астрономического и/или геологического времени благодаря механизму динамо.

Считается, что этот механизм питает магнитное поле Земли, а также магнитные поля газовых гигантов в нашей Солнечной системе. Также считается, что когда-то он порождал и магнитное поле Марса, но длилось это не более 3 миллиардов лет и сегодня уже закончилось.

Затем, как принято считать, в отличие от Земли, на которой сохраняющееся и поныне магнитное поле защищает её атмосферу от солнечного ветра, Марс, который когда-то обладал толстой и относительно стабильной атмосферой, в итоге потерял её.

По мере остывания Марса динамо перестало действовать, что привело к исчезновению магнитного поля и позволило солнечному ветру медленно, но неуклонно сдирать атмосферу Марса. Примерно через ~100 миллионов лет, атмосфера стала настолько тонкой, что жидкая вода на его поверхности уже не могла существовать, и с тех пор условия на поверхности Марса «заморожены».

Однако в 2018 году этот ход мыслей столкнулся с серьёзным вызовом, когда в журнале Astronomy & Astrophysics появилась впечатляющая статья с провокационным названием «Почему внутреннее магнитное поле не защищает планету от побега атмосферы». Вместо того чтобы предположить, что атмосфера Земли хорошо защищена, а атмосфера Марса — нет, в статье исследуется вопрос, а защищены ли в принципе намагниченные планеты от потери атмосферы в большей степени, чем ненамагниченные.

Если посмотреть на фактическую скорость выхода частиц из атмосфер Венеры, Земли и Марса, то, несмотря на различия этих планет, скорости очень похожи: от 0,5 до 2,0 килограммов в секунду для всех трёх планет, причём 0,5 для Венеры и 1,4 для Земли.

Если мы хотим сравнить потерю атмосферы у намагниченных и ненамагниченных планет, нам нужно сравнить суммарные показатели всех механизмов утери атмосферы вместе взятых. А таких механизмов известно несколько, и лишь малая их часть работает быстрее при отсутствии у планеты магнитного поля. Основываясь на истории Марса и Земли, можно подумать, что ненамагниченные планеты теряют свои атмосферы быстрее, но это не обязательно так.

Стоит отметить, что даже максимальная скорость потери атмосферы для землеподобной планеты, ~3 кг/с, не смогла бы устранить массу даже одной земной атмосферы (составляющую около 5 × 1018 кг) за всю историю Солнечной системы. Кроме того, даже у ненамагниченных планет есть магнитосферы, существующие благодаря взаимодействию с Солнцем, которые также могут защитить их от быстрой потери атмосферы.

Так что Марс мог стать безжизненным не потому, что потерял магнитное поле; возможно, он погиб только потому, что потерял свою атмосферу из-за малого размера и низкой массы. Когда мы смотрим на экзопланеты, мы не должны считать, что магнитное поле планеты необходимо для жизни. До тех пор, пока у вас есть существенная, но не слишком толстая атмосфера, которая может возникнуть при любой намагниченности или даже при её отсутствии, существование жизни, даже в том виде, в котором мы её знаем, остаётся допустимым.

Автор: valisak

Источник

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js