Всяка сутрин през марсианското лято над южното полукълбо на планетата се появява гигантско атмосферно явление. Над западния склон на изгасналия вулкан „Планина Арсия“ се образува тясно бяло облакче от воден лед. Само за два-три часа то се простира на запад на почти две хиляди km, след което се отдалечава от върха, измества се от вятъра и към обяд напълно се разтваря.
Астрономите наблюдават това явление редовно. То е заснето от камерите на европейския апарат Mars Express, индийската сонда Мангалян и орбиталния апарат Ал-Амал на Обединените арабски емирства. В международната научна литература обектът е получил наименованието AMEC, Arsia Mons Elongated Cloud, или издълженият облак на планината Арсия.
Външно шлейфът напомня вулканично изригване, само че вулканичната дейност на Марс е угаснала преди милиони години. Спектралният анализ отдавна потвърди, че облакът се състои изцяло от кристали от замръзнала вода.
Основният проблем се състои в това, че физиката на това явление противоречи на класическите закони на атмосферните процеси. В продължение на десетилетия нито един числен модел на атмосферата на Марс не успя да възпроизведе формата и свойствата на този облак. Компютърните изчисления показваха, че при условията на Червената планета подобна структура не би трябвало да съществува.
Изследователска група от Сорбоната и френската Лаборатория по динамична метеорология под ръководството на Хорхе Ернандес-Бернал откри причината за тези неуспехи. Учените установиха, че облакът над вулкана се образува по начин, който в естествените планетарни атмосфери по-рано се смяташе за практически невъзможен: парата замръзва директно, без участието на каквито и да било външни центрове на кондензация.
Леден облак на Марс, свободна интерпретация
Двата начина за образуване на облаците
За да се разбере същността на проблема, е необходимо да се разгледа как водата преминава от газообразно състояние в твърдо състояние в атмосферата. Съществуват два механизма за този фазов преход.
Първият механизъм се нарича хетерогенно зараждане. В този случай водната пара се нуждае от твърди частици, разпръснати във въздуха: микроскопични пясъчни зрънца, частици сажди или продукти от разпадането на атмосферни частици. Когато молекулите на водата се сблъскат с повърхността на подобна прашинка, те по-лесно се задържат заедно. Твърдата основа намалява енергийния праг, необходим за образуването на стабилен леден кристал.
Вторият механизъм се нарича хомогенно зараждане. При този процес парата се кристализира сама по себе си, без твърди повърхности. Случайни групи от водни молекули трябва да се сблъскат една с друга в празното пространство и да се обединят в устойчива структура изцяло благодарение на собствените си връзки.
Хомогенното образуване на лед изисква изключително специфични условия. Микроскопичният кристален зародиш притежава повърхностна енергия, която се стреми да го разруши обратно до отделни молекули. За да бъде преодоляна тази бариера, налягането на парата трябва да надвишава многократно стандартната стойност на насищане. С други думи, въздухът трябва да бъде екстремно пренаситен с влага.
Земната метеорологияВ земната метеорология хомогенното образуване на воден лед дълго време се считаше за изключително лабораторен феномен. В реалната атмосфера на Земята винаги присъства суспензия от аерозоли. Влагата започва да се отлага върху тези микрочастици много преди пренасищането да достигне стойностите, необходими за самостоятелна кристализация на парата.
Същата логика се приложи и към Марс. Марсианската атмосфера е изпълнена с минерален прах, който се вдига от постоянните ветрове и глобалните пясъчни бури. Учените основаваха своите предположения на това, че всички облаци на Марс трябва да имат хетерогенна природа, тоест да се образуват изключително върху минерални прашинки.
Снимки с висока разделителна способност, заснети от камерата HRSC на европейската сонда Mars Express (сесии G486 и P802). Вляво се вижда кръглата калдера на вулкана Планина Арсия, от която на запад се простира плътна ледена ивица с контрастни, ясно очертани краища
Защо стандартните изчисления стигаха до задънена улица
Когато изследователите включваха класическите уравнения за хетерогенно образуване в математическите модели на марсианския климат, резултатите се различаваха значително от снимките на междупланетните станции.
При стандартните изчисления моделът показва обширна, бледа и размита мъгла около целия връх на вулкана. Реалните обаче оптични снимки на апарата Mars Express демонстрират принципно различна картина:
Облакът има формата на много дълъг и тесен клин. Той е с висока плътност и има резки, ясно изразени граници. Оптичната му дебелина (показател за непрозрачност спрямо светлината) в центъра варира от 0,2 до 0,4, докато изчислителният хетерогенен модел не може да даде стойност по-висока от 0,05–0,1. Шлейфът запазва стабилна структура в продължение на стотици километри по посоката на вятъра, без да се разсейва или да се разширява настрани.Ако за образуването на облака е отговорен вездесъщият марсиански прах, издигането на въздуха по склона на вулкана би породило разпръснато облачно поле. Само че в действителност всяка сутрин на едно и също място се появява плътен, тясно насочен поток от кристали.
Традиционният модел не отчита физическия фактор, действащ на големи височини.
Моделиране срещу реалност: (A) реална снимка на сутрешната следа, заснета с камерата VMC на апарата Mars Express; (B) резултат от стандартния климатичен модел, който отчита само кондензацията върху праха, облак не се образува; (C) изчисления на авторите на изследването, включващи хомогенната кристализация на парата – следата напълно съответства на реалното явление
Физическият механизъм: огромно покачване и спад на температурата
Планината Арсия е един от най-големите вулкани в Слънчевата система. Основата ѝ има диаметър над четиристотин km, а върхът ѝ се издига над средното ниво на повърхността на Марс с почти двадесет km.
Когато сутрешните хоризонтални ветрове се сблъскат с тази преграда, въздухът е принуден да заобикаля масива и да се движи нагоре по склона. Това изместване поражда атмосферни гравитационни вълни, тоест вълнови колебания на плътността и налягането на въздуха, които се разпространяват вертикално нагоре, отправяйки се към разредените слоеве на атмосферата.
Заедно с тези вълни части от въздуха от западния склон се издигат на височина около 45 km само за няколкостотин секунди. При издигането настъпва адиабатично разширение: околното налягане рязко спада, издигащият се газ се разширява и поради това бързо се охлажда без топлообмен с външната среда.
Математическото моделиране на движението на въздушните маси разкрива следните параметри на този процес:
Скоростта на охлаждане на издигащия се въздух достига 0,05 K в секунда. Непрекъснатото охлаждане продължава около 800 секунди (повече от тринадесет минути). В резултат на това на височина 45 km се образува локална зона с екстремно ниска температура, по-малко от 130 K (под минус 143 °C). За сравнение, средната температура на околната марсианска атмосфера на тази височина е около 160 K (минус 113 °C).Изследователите наричат тази зона „ядро на студа“. Тя се образува стабилно при изгрева точно там, където започва видимата част на следата.
Физиката на образуването на облаците: (A) схема на движението на въздушните потоци над планината Арсия, издигането на въздуха по склона поражда гравитационни вълни и рязко адиабатично охлаждане (лилавата зона); (B и C) карти на разпределението на температурите и пренасищането с влага на височина 45 km над повърхността на Марс
Новите ориентири за физиката на планетарните атмосфери
Резултатите от изследването излизат извън рамките на марсианската метеорология. Досега физиката на атмосферите разглеждаше спонтанната кристализация на газовете като процес, който няма практическо значение в природата. Откритието доказва, че в реални динамични среди хомогенната нуклеация може да се окаже основният механизъм за формиране на атмосферни обекти с големи размери.
Това откритие налага преразглеждане на моделите на процесите, протичащи в горните слоеве на земната атмосфера.
На височина 80–85 km в лятната мезосфера на средните и високите ширини на Земята редовно се появяват сребристи (ноктилуцентни) облаци. Доминиращата научна теория твърди, че те се образуват изключително по хетерогенен път, върху частици от метеорен дим, възникващ при изгарянето на космически микрочастици.
Само че термодинамичните условия в лятната мезосфера на Земята са много близки до марсианските:
Изключително ниско общо налягане. Наличие на мощни вертикални гравитационни вълни, предизвикани от циклони в тропосферата. Температури, спадащи под 130 K.Не е изключено част от земните сребристи облаци също да се образуват чрез пряко спонтанно замръзване на парата, като се прескача етапът на утаяване върху метеорен прах.
Освен това получените данни са важни за моделирането на климата на екзопланетите. Астрономите откриват все повече скалисти и ледени светове със слаби атмосфери и големи разлики във височината на релефа. При изчисляването на облачния им покрив и отражателната способност изследователите се основават на земни уравнения, при които хомогенната нуклеация по подразбиране е изключена от изчисленията. Марсианската следа показва, че този подход е неточен: при бързо адиабатично издигане разреденият газ е способен самостоятелно да формира плътни облачни структури, подчинявайки се изцяло на локалната термодинамика.