Новий модель підтверджує холодний та сухий клімат Марса
Вступ
Останні досягнення в моделюванні клімату, поєднані з даними, отриманими з марсохода Curiosity NASA, суттєво змінюють наше уявлення про ранній Марс. Нове дослідження, очолюване професором Едвіном Кайтом з Університету Чикаго, інтегрує дані про осадовий вуглець, орбітальну динаміку, еволюцію Сонця та топографію у першу просторово розв’язану модель кліматичної еволюції Марса, що охоплює кілька мільярдів років. Результати показують світ, де домінують холодні, посушливі умови, які лише короткочасно перериваються локальним таненням.
Моделювання раннього клімату Марса
Підйом Curiosity на гору Шарп (Aeolis Mons) виявив шари мулистих вапняків, що свідчить про те, що до 0,1 бару давнього атмосферного CO₂ могло бути захоплено в мінералах, таких як магнезит і сидерит. Спираючись на геохімічні обмеження, запропоновані Бенджаміном Тутоло (Університет Калгарі), команда Кайта створила 3,5-мільярдну симуляцію, щоб відстежити зміни парникового ефекту та стабільність рідкої води.
Захоплення вуглецю та давній цикл CO₂
Використовуючи дані рентгенівської дифракції CheMin та мас-спектрометрії SAM, Тутоло оцінив поглинання CO₂ через реакції між водою та породами зі швидкістю ~10⁻¹⁴ мол·см⁻²·с⁻¹ при температурі 273 К. Протягом приблизно 100 мільйонів років епізодичної водної активності цей процес міг знизити атмосферний CO₂ на ~0,05–0,15 бар—аналогічно утворенню вапняку на Землі при 25 °C—значно послаблюючи парниковий ефект.
Створення першої просторово розв’язаної моделі еволюції клімату
Команда Кайта інтегрувала цей поглинач у 3D модель загальної циркуляції (GCM) з горизонтальним розділенням 1° × 1° (приблизно 60 км) та п’ятьма вертикальними шарами. Модель включає:
- Оновлені дані топографії та гравітації MOLA для реалістичної орографії
- Еволюцію сонячної світності згідно з Bahcall та ін. (2001), з LSun(3.5 Ga) ≈ 0.75 L0
- Орбітальні параметри з епhemeris Марса Ласкара 2025 року (нахил 15°–45°, цикли ексцентриситету ~100 км)
- Модулі радіаційного переносу, що враховують не-LTE охолодження CO₂ та зворотний зв’язок з пилом/аерозолями H₂O
Просторова та тимчасова роздільність
- Горизонтальна сітка: відстань 60 км (приблизно 1° широти/довготи)
- Вертикальна стратифікація: 5 атмосферних шарів від поверхні до 50 км
- Часові інтервали: 0,5 млн років протягом 3,5 млрд років (всього 7,000 кроків)
Ключові висновки: Мимолетні вологі епізоди в замороженому світі
Модель показує, що Марс увійшов в “еру солей” приблизно 3,5 мільярда років тому, що характеризується широким осадженням солей під час танення снігу на середніх широтах. Середні глобальні температури поверхні залишалися нижче 250 К, з короткими піками до ~273 К лише під час максимальних нахилів.
Мимолетна придатність для життя та транзитні оази
“Наші симуляції показують, що рідка вода існувала лише в малих, транзитних оазах, які тривали приблизно 10⁵ років — занадто коротко і розрізнено, щоб підтримувати глобальну біосферу на поверхні,” говорить Кайт.
Локальні події танення води створювали мілкі озера та солончаки, але не залишали доказів тривалого, планетарного вивітрювання. Холодний перигляціальний режим, ймовірно, сприяв утворенню евтектичних розчинів, а не стабільних прісних водойм.
Сучасні методи моделювання
Щоб уточнити параметри з великими невизначеностями — такими як оптична глибина пилу (τ ≈ 0.1–1.0) та альбедо льоду CO₂ (α ≈ 0.2–0.6) — команда використала байєсівську інверсійну модель з методом Монте-Карло (MCMC). Запуски виконувалися на суперкомп’ютері Pleiades NASA з використанням CST v2.4, що дозволило реалізувати 512-ядерний паралелізм і скоротити час обчислень з тижнів до днів.
Наслідки для підземної придатності для життя
Умови на поверхні здаються занадто суворими для виникнення або тривалого існування мікробного життя. Проте глибокі водоносні горизонти залишаються ймовірними укриттями. Доктор Ребекка Вільямс (Університет Айови) зазначає: “Гідротермальні системи вздовж тектонічних тріщин могли підтримувати температури приблизно 280 К на глибинах 1–2 км, а реакції між водою та породами забезпечували хімічну енергію для хемолітоавтотрофів.”
Майбутні місії та вимоги до даних
- ESA ExoMars Rosalind Franklin Rover (запуск у 2026 році): планується буріння на глибину 2 м і аналіз органічних сполук за допомогою MOMA (Лазерний десорбційний мас-спектрометр).
- Фаза 2 повернення зразків з Марса (2031–2033): ціль — мулисті породи Mawrth Vallis для картування глобального розподілу карбонатів та перевірки прогнозів моделі.
- Концепція орбітера IceMapper: запропонована місія SAR для виявлення підземного льоду/водяних резервуарів до 1 км глибини.
Висновки та перспектива
Ця новаторська, просторово розв’язана модель еволюції клімату свідчить про те, що ранній Марс був переважно холодною пустелею з епізодичними, короткочасними вологими подіями, які не були достатніми для стабільної біосфери на поверхні. Проте підземні середовища — захищені від екстремальних циклів заморожування та відтавання — залишаються основними об’єктами пошуку минулого життя.
“З майбутніми місіями повернення зразків та глибшим бурінням, яке здійснить Rosalind Franklin, ми зможемо уточнити наші моделі і, можливо, нарешті виявимо біосигнатури в тих довгих ланцюгах алканів, які помітив Curiosity,” підсумовує Кайт.