Тем временем на Марсе: российские физики смоделировали зиму на Красной планете

Российские учёные смоделировали изменения марсианской погоды в течении годового цикла.

Иллюстрация Lion_on_helium/пресс-служба МФТИ.

Бимодальное распределение концентрации частиц в зависимости от их размера: пик при радиусе порядка 0,025 микрометра более отчётливый, пик при радиусе около 0,4 микрометра выражен слабее.

Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Сравнение плотности водяного пара в зависимости от времени года (ось x) и высоты (ось y). Картинка (a) отвечает экспериментальным данным, картинка (b) ≈ численному моделированию, картинка (c) ≈ разности первых двух.

Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Распределение плотности водяного пара над поверхностью планеты в период марсианского лета в северном полушарии. Стрелками отмечено направление ветров.

Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Распределение льда по широте (ось x) и высоте (ось y): данные эксперимента (a), моделирования с бимодальным (b) и мономодальным (c) распределением.

Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Сравнение численных расчётов, полученных исходя из бимодального распределения (a, b) или двух типов одномодального (c ≈ f). Слева ≈ данные расчётов плотности пара, справа ≈ концентрации льда.

Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Группа учёных из Московского физико-технического института совместно с немецкими и японскими коллегами численно смоделировала распределение водяного пара и льда в атмосфере Марса в течение года. При расчётах исследователи предположили, что, помимо относительно крупных частиц атмосферной пыли, на которых происходит конденсация пара, необходимо включить в рассмотрение более мелкие, незаметные для приборов частицы. Это позволило получить более точную картину, которая лучше согласуется с результатами прямых измерений с орбитальных зондов.

Александр Родин, руководитель лаборатории инфракрасной спектроскопии МФТИ: "Наша модель описывает трёхмерные движения воздушных масс в атмосфере планеты, перенос солнечного и инфракрасного излучения, фазовые переходы воды, а также микрофизику марсианских облаков, которая играет ключевую роль в круговороте воды на планете".

Воды на Марсе сравнительно немного, особенно в разреженной холодной атмосфере: если собрать всю взвешенную в атмосфере воду и распределить её ровным слоем по поверхности планеты, то толщина слоя составит не более 20 микрометров. Тем не менее, даже несмотря на низкую концентрацию, вода оказывает значительное влияние на марсианский климат. Например, облака рассеивают и переизлучают падающее на них инфракрасное излучение, а конденсация льда на аэрозольных частицах очищает атмосферу от пыли. Поэтому для понимания происходящих на Марсе процессов важно разобраться, как именно вода в виде пара и ледяных кристаллов переносится воздушными потоками атмосферы планеты и перераспределяется между сезонными полярными шапками.

Впервые воду на Марсе нашли ещё в 1963 году, а затем подробно исследовали с помощью большого числа приборов, установленных на орбитальных аппаратах, посадочных платформах и марсоходах — начиная от космического аппарата "Маринер-9" и заканчивая межпланетной станцией "ЭкзоМарс". Кстати, на борту одной из таких станций, "Марс-экспресс", установлен российский инструмент SPICAM, также изучающий атмосферу планеты. Используя результаты этих измерений, учёные разработали модель марсианской атмосферы, которую впоследствии уточнили и проверили с помощью численных расчётов.

Однако результаты последних не всегда согласуются с данными реальных измерений. Все разработанные численные модели учитывают конденсацию воды на аэрозольных частицах, взвешенных в атмосфере — как известно, облака прежде всего возникают именно вокруг таких частиц. Получается, что результаты моделирования существенным образом зависят от распределения этих частиц по размерам, которое известно недостаточно хорошо. Обычно считается, что это распределение имеет всего один максимум. Тем не менее последние наблюдения указывают на то, что в отдельные сезоны оно может иметь два пика — по-научному такое распределение называется бимодальным.

Бимодальное распределение концентрации частиц в зависимости от их размера: пик при радиусе порядка 0,025 микрометра более отчётливый, пик при радиусе около 0,4 микрометра выражен слабее.
Бимодальное распределение концентрации частиц в зависимости от их размера: пик при радиусе порядка 0,025 микрометра более отчётливый, пик при радиусе около 0,4 микрометра выражен слабее.
Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Бимодальное распределение концентрации частиц в зависимости от их размера: пик при радиусе порядка 0,025 микрометра более отчётливый, пик при радиусе около 0,4 микрометра выражен слабее.

В своей работе группа учёных под руководством Александра Родина и Пауля Хартога (Paul Hartogh) построила модель гидрологического цикла Красной планеты, учитывая бимодальность распределения концентрации аэрозольных частиц по размерам. Для этого они использовали модель общей циркуляции атмосферы Марса MAOAM (Martian Atmosphere Observation and Modeling — моделирование и наблюдение за марсианской атмосферой), разработанную в институте имени Макса Планка. Опираясь на надёжный трёхмерный расчёт циркуляции атмосферы, физики построили теоретическую модель процессов, которая позволяет качественно объяснить фазовые переходы воды и её перенос атмосферными потоками.

Сравнение плотности водяного пара в зависимости от времени года (ось x) и высоты (ось y). Картинка (a) отвечает экспериментальным данным, картинка (b) ≈ численному моделированию, картинка (c) ≈ разности первых двух.
Сравнение плотности водяного пара в зависимости от времени года (ось x) и высоты (ось y). Картинка (a) отвечает экспериментальным данным, картинка (b) ≈ численному моделированию, картинка (c) ≈ разности первых двух.
Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

В результате учёные выяснили, что наибольшая концентрация воды достигается над северным полюсом в тот момент, когда в соответствующем полушарии наступает лето. По мере приближения зимы плотность водяного пара, взвешенного в атмосфере, постепенно снижается, что может указывать на конденсацию воды и выпадение в виде осадков на поверхность планеты. Результаты расчётов практически полностью совпали с картой, построенной на основании наблюдений SPICAM: небольшие расхождения наблюдались только около периодов наибольшей концентрации воды в атмосфере.

Распределение плотности водяного пара над поверхностью планеты в период марсианского лета в северном полушарии. Стрелками отмечено направление ветров.
Распределение плотности водяного пара над поверхностью планеты в период марсианского лета в северном полушарии. Стрелками отмечено направление ветров.
Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Кроме того, физики аналогичным способом рассчитали плотность и распределение в атмосфере облаков, состоящих из микроскопических кристаллов льда. Оказалось, что наибольшее количество льда содержалось над экваториальными областями планеты в течение тех же периодов, когда над северным полюсом плотность водяного пара была максимальной (то есть северным летом).

Распределение льда по широте (ось x) и высоте (ось y): данные эксперимента (a), моделирования с бимодальным (b) и мономодальным (c) распределением.
Распределение льда по широте (ось x) и высоте (ось y): данные эксперимента (a), моделирования с бимодальным (b) и мономодальным (c) распределением.
Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Исследователи подчёркивают, что результаты моделирования с использованием бимодального распределения отличаются от расчётов, в которых распределение частиц по размерам имело всего один максимум, и лучше согласуются с экспериментальными данными. Так, обычные расчёты несколько занижают высоту ледяных облаков и хуже согласуются с экспериментом во время периодов, когда водяной пар достигает наибольшей плотности.

Сравнение численных расчётов, полученных исходя из бимодального распределения (a, b) или двух типов одномодального (c ≈ f). Слева ≈ данные расчётов плотности пара, справа ≈ концентрации льда.
Сравнение численных расчётов, полученных исходя из бимодального распределения (a, b) или двух типов одномодального (c ≈ f). Слева ≈ данные расчётов плотности пара, справа ≈ концентрации льда.
Иллюстрация Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Научная статья по итогам работы была опубликована в издании Journal of Geophysical Research: Planets.

Кстати, в 2014 году учёные из МФТИ исследовали распределение водяного пара в атмосфере Марса с помощью прибора SPICAM — в частности, им удалось увидеть, как концентрация пара изменяется в течение года. Впоследствии они запустили сайт, на котором собрали данные по атмосфере Красной планеты. 

Также мы подробно рассказывали о создании трёхмерной карты ледяных глубин Марса