Марс

Об интенсивной  тектонической активности свидетельствуют  многочисленные разломы и сбросы марсианской коры, образовавшиеся утесы, грабены, обширные ущелья с системой ветвящихся каньонов. Они достигают несколько километров в глубину, десятков километров в ширину, сотен и даже тысяч километров в длину. Сетки мощных каньонов зачастую отделены друг от друга плоскими плато или горами с плоскими вершинами и крутыми склонами, которые сложены наиболее прочными породами, противостоящими разрушению. Такие горы называют столовыми. Очевидно, эти образования, а также цепочки кратеров при наблюдении с Земли и создавали иллюзию марсианских "кратеров" - одной из наиболее известных и притягательных гипотез в истории астрономии конца XIX и первой половины XX столетий.

Панорама Марса.

Вследствие  наличия атмосферы и значительной эффективности эрозии на Марсе кратеры метеоритного происхождения сильно модифицированы. По этой же причине образовалось огромное количество пылепесчаного материала, что стало характерной чертой марсианской поверхности. Перемещение пыли ветром, обусловленное как локальными метеорологическими, так и глобальными циркуляционными процессами на планете, вызывает периодические изменения очертаний светлых и темных областей, причем темные области систематически на несколько Кельвинов теплее светлых. В относительно спокойные периоды тонкозернистый материал преимущественно скапливается в углублениях, а при сильных ветрах выдувается из них, образуя характерные светлые шлейфы у кромок кратеров, ориентированные в направлении ветра. Это преимущественная ориентировка может сохраняться в течение определенного времени и внутри кратеров, где преобладающими становятся более крупные частицы песка и пыли.

С переносом пыли и динамикой  сезонных изменений полярных шапок  связана и природа знаменитой "волны потемнения", распространяющейся с наступлением весны от широты примерно 70^o к экватору со скоростью около 5 м/с, так что до экватора она докатывается меньше чем за два земных месяца, покрывая расстояние свыше 4000 км. К лету, когда шапка уменьшается до минимальных размеров, темная полоса достигает широты 40^o в противоположном полушарии, а к осени, с началом роста шапки, быстро откатывается назад, и "моря" светлеют. В увлекательной теории Ловелла это объяснялось весенним пробуждением и быстрым распространением растительности вдоль живительных артерий - каналов, заполняемых водой с началом таяния шапки. Эта грандиозная ирригационная система высокоразвитых марсиан рассматривалась им как единственно мыслимое средство противостоять суровой природе на планете, преобладающими ландшафтами которой являются пустыни, а вода в условиях сухой и менее плотной, чем земная, атмосферы быстро испаряется.

Обилие и интенсивный перенос  пыли объясняют и то, почему не было найдено сколько-нибудь определенной взаимосвязи неоднородностей рельефа с отражательными свойствами (альбедо) поверхности Марса, а также, почему для большинства районов планеты характерна малая плотность грунта. Альбедо поверхности претерпевает значительные изменения, и многие черты рельефа попросту маскируются. Иногда возникают мощные пылевые вихри, неслучайно называемые "пылевыми дьяволами". Ситуация приобретает глобальный характер в период пылевых бурь - грандиозного природного явления, периодически охватывающего всю планету. Пыль во время бурь поднимается на высоту до 10 и более километров, так что выступающими над этой сплошной пеленой оказываются только вершины крупнейших вулканов, а вся остальная поверхность приобретает ровный желтый фон, без каких-либо деталей.

 «Пылевой дьявол»

 
 
 
 
 
 
 
 
4. Реки и ледники на Марсе.

Бомбардировка метеоритами, глобальная тектоника, широко развитый вулканизм и ветровая эрозия - не единственные активные процессы, формировавшие поверхность Марса. На фотоснимках, переданных космическими аппаратами, обнаруживаются длинные ветвящиеся долины протяженностью в сотни километров, по своей морфологии напоминающие высохшие русла земных рек, выглаженные ложбины и другие характерные конфигурации, свидетельствующие также о водной и ледниковой эрозии. Это приводит к предположению, что в некоторый период марсианской истории поверхность планеты бороздили потоки воды, образовавшие русла с развитой системой притоков, и перемещались ледники. Они образовали в областях ледникового сноса, при обтекании кратеров, каплевидные острова и другие формы разрушения горных пород и выпахивания поверхности. Например, на рис.4 отчетливо видны следы мощного выглаживания, вероятнее всего вызванного ледниками, но, возможно, определенную роль здесь сыграла и вода, при течении которой образовались протоки между локальными уплотнениями материала поверхности. Наибольшие уплотнения, однако, связаны с кратерами ударного происхождения, поперечники которых на рис.4 достигают 10-15 км.

Рисунок 4.

Выглаженные ложбины марсианской поверхности  с характерными каплевидными островами около кратеров, вероятно, оставленными движущимися ледниками, возможно, с участием потоков воды; размер кратеров 10-15 км (снимок «Викинга-1»).

О водном происхождении сохранившихся  многочисленных русел, общее число которых оценивается в несколько десятков тысяч, говорит и факт перепада высот в направлении течения древних рек от истока к устью. Часть этих русел протянулась между углублениями на кратерированных участках поверхности, по-видимому, служивших местными водными резервуарами.

Насколько древними являются речные русла, корытообразные долины, оставленные  ледниками, и некоторые другие образования, явно свидетельствующие о присутствии воды на поверхности Марса? К какому периоду (или периодам) марсианской истории относятся эти события? Данная проблема, как и проблема общих запасов воды на Марсе, непосредственно связана с палеоклиматом планеты, химическим составом и эволюцией ее атмосферы. Четкость многих сохранившихся флювиогляциальных форм, отсутствие следов их захоронения позднейшими наслоениями указывают на относительно недавнее происхождение, в пределах последнего миллиарда лет. По конфигурации некоторых желобов на склонах возвышенностей можно даже предполагать, что с них когда-то стекали дождевые потоки - ситуация, совершенно невозможная в современных условиях на Марсе при ничтожном содержании в атмосфере водяного пара и очень низком атмосферном давлении у поверхности, при котором вода в жидком виде практически не удерживается, быстро испаряясь.

Исходя из общих геохимических  закономерностей о высвобождении воды из планетных недр, подкрепленных теперь явно выраженными признаками вулканической деятельности на всех планетах земной группы, многие исследователи уже давно высказали идею о том, что основные водные массы на Марсе сосредоточены в приповерхностном слое вечной мерзлоты, особенно в слоях наносов и в крупных равнинных бассейнах типа Эллады. Не исключалась даже возможность того, что за счет обычного геотермического температурного градиента внутри этих бассейнов под слоем льда температура может оказаться достаточной для сохранения воды в жидком состоянии. Такое предположение было высказано советскими учеными А.И.Лебединским и В.Д.Давыдовым.

В пользу представлений о существовании  на Марсе обширных районов вечной мерзлоты действительно свидетельствует  ряд деталей. К ним, в частности, относятся специфические долины с обнажением на их склонах внутренних пустот типа карстовых на Земле. Весьма вероятно, что они образовались при первоначальном обнажении и последующей сублимации ледяных прослоев (линз) и что подобных резервуаров, покрытых сыпучим грунтом, сохранилось на Марсе довольно много. Примерно аналогичную природу могут иметь встречающиеся на планете территории с хаотическим рельефом, содержащие замысловато изломанные блоки горных пород. Они, вероятнее всего, образовались за счет проседания наружных слоев вследствие ухода подповерхностного материала. О районах вечной мерзлоты свидетельствуют также специфические формы выбросов на внешних склонах некоторых кратеров, напоминающие снежные лавины. Происхождение таких конфигураций, не имеющих аналогов на других планетах, можно объяснить плавлением подповерхностного льда при ударе метеорита и стеканием грязевых потоков по склонам образовавшегося кратера.

Обширные области вечной мерзлоты на Марсе дают основание предположить наличие на его поверхности изверженных пород типа палагонитов - стекловатого минерала желто-бурого (или темно-бурого) цвета, встречающегося на Земле в базальтах, диабазах и туфах преимущественно в полярных районах. Палагониты образуются при взаимодействии магмы с водой или при извержении ее сквозь ледовую толщу. Они богаты железом и обеднены кремнием, что как раз подтверждается анализом элементного состава пород на поверхности Марса. Вместе с тем из-за меньшего атмосферного давления марсианские палагониты могут отличаться от земных меньшим содержанием летучих элементов и менее прочной структурой.

При определенных условиях, когда  за счет падения метеорита, вулканического извержения или другого местного геотермального источника происходит таяние льда, на поверхности Марса могли бы образовываться (или вскрываться) водные резервуары.

Эту проблему исследовали  известный  американский планетолог К.Саган вместе с Д.Уоллесом. Их расчеты показали, что испарение очень быстро практически прекращается за счет появления на жидкой поверхности ледяного покрова, достигающего толщины не менее метра. Чем меньше давление атмосферы, тем интенсивнее испарение и тем сильнее охлаждение поверхности за счет высвобождения скрытой теплоты испарения, а значит, толще образующийся слой льда. В конечном итоге толщина ледяного покрова в среднем должна составлять 10-30 метров, что соответствует условиям равновесия между его ростом и сублимацией. Как известно, лед является хорошим теплоизоляционным материалом, и одновременно он достаточно прозрачен для солнечных лучей, которые частично проникают сквозь него и поглощаются в самой водной толще. Вместе с высвобождающейся скрытой теплотой плавления на нижней поверхности льда это препятствует дальнейшему промерзанию резервуара, обеспечивая сохранение в нем жидкой воды.

Все это привело авторов к  интересной гипотезе о существовании на Марсе не только обширных водоемов (озер) под слоем вечной мерзлоты, но и о продолжающемся поныне течении рек, скованных ледяным щитом только с поверхности. А если это действительно так, то естественно предположить, что формирование по крайней мере некоторых из наблюдаемых русел происходило непрерывно. Можно было бы возразить, что большинство замерзших рек, вероятно, покрыто песчаными наносами и что в этом случае резко уменьшается как скорость сублимации, так и количество проникающего внутрь тепла, а значит, условие равновесия смещается. Действительно, в таких местах ледяной покров, вероятно, толще, однако вследствие регулярного переноса пыли условия могут изменяться.

Противоположный эффект должен наблюдаться  при увеличении инсоляции, приводящей к уменьшению толщины ледяного покрова. На определенных участках поверхности, где промерзание было полным, возможно появление под слоем льда жидкой воды, так что этот слой по существу становится айсбергом. Такая ситуация могла бы, в частности, возникать в приполярных областях вследствие периодического изменения наклона оси вращения Марса относительно плоскости эклиптики. При таянии южной полярной шапки, которая в современную эпоху стаивает почти целиком вследствие заметного эксцентриситета орбиты планеты, обнаруживаются слои, образованные осадочными породами. В этих концентрических наслоениях вокруг полюса различается несколько сот слоев толщиной от единиц до десятков метров, имеющих вид террас. Такие структуры можно объяснить деятельностью ледников полярной шапки при изменении наклона оси планеты, от которого сильно зависит интенсивность их таяния. Предполагается, что последовательные процессы отложения осадков при таянии ледников с образованием "водяных подушек" и айсбергов, частично сглаживавших при своем перемещении неровности рельефа, происходили с периодом в сотни тысяч лет.

Белые полярные шапки Марса - одна из наиболее примечательных черт на диске планеты, хорошо наблюдаемых в телескоп. Аналогичным образом выделялись бы полярные области Земли при наблюдении, например с Марса, особенно - далеко простирающиеся к средним широтам обширные заснеженные пространства северного полушария зимой. Однако до недавнего времени велись споры о том, из чего состоят марсианские шапки - из обычного, водяного льда или твердой углекислоты. Последнее предположение связано с тем, что на полюсах отмечается самая низкая температура поверхности Марса, 148K=-125^oC. А это как раз соответствует температуре замерзания углекислоты, из которой преимущественно состоит марсианская атмосфера. Измерения с космических аппаратов показали, что в общем-то правы были защитники как той, так и другой гипотезы, однако в основной своей массе полярные шапки образованы обычным льдом. Оказалось, что интенсивный рост шапок происходит в период с начала марсианской осени до начала весны в соответствующем полушарии за счет конденсации из атмосферы углекислоты. При этом образуется слой сухого льда толщиной в несколько сантиметров, быстро исчезающий с наступлением весны. После этого остается нестаивающая за лето часть, имеющая температуру около -70^oC(203K), то есть значительно превышающую температуру замерзания углекислоты. Она-то и состоит в основном из обычного льда, покрываемого, как и прилегающая поверхность, слоем углекислоты в зимнее время. Весьма вероятно, что шапки содержат также обширные включения газовых гидратов - так называемых клатратов, представляющих собой соединения, которые образуются при внедрении молекул углекислого газа (или других газов) в пустоты кристаллической структуры водяного льда. По внешнему виду они напоминают спрессованный снег и хорошо известны прежде всего как побочный продукт при добыче природного газа. На Марсе клатраты, возможно, образуются и в средних широтах ночью, особенно внутри углублений и кратеров,  как это было замечено на фотопанорамах "Викингов". С восходом Солнца конденсат быстро сублимирует. Измеренные температуры как раз хорошо соответствует фазовому переходу при образовании и исчезновении клатратов CO₂. Тем не менее, окончательного отождествления пока не сделано, поэтому как эти, так и другие обширные белые образования на дне некоторых кратеров, обнаруживаемые на снимках с орбитальных аппаратов, получили пока условное название "белая порода".

Толщина северной полярной шапки может  быть сопоставимой с толщиной ледяного панциря Антарктиды, достигающей 4,3 км, а отношение площади этого панциря к площади земной поверхности меньше, чем нестаивающей части шапки к площади поверхности Марса. Но лед Антарктиды содержит свыше 90% запасов всей пресной воды на Земле, и нельзя исключить, что подобный резервуар существует и на Марсе.