С 2000 года камеры на орбите Марса передали многочисленные изображения небольших долин, вырезанных на склонах, похожих по форме на овраги, образованные текущей водой на Земле. Кажется, что оврагу меньше нескольких миллионов лет, а иногда и меньше нескольких лет.
Это говорит о том, что сегодня на Марсе могут образоваться значительные объемы жидкой воды.Этот сценарий недавно был подвергнут сомнению при частом мониторинге поверхности Марса камерой HiRISE на борту Марсианского разведывательного орбитального аппарата НАСА.
Это показало, что формирование оврагов продолжается на современном Марсе в сезоны, когда поверхностная среда Марса слишком холодна для протекания жидкой воды. Однако наблюдаемая активность оврагов, по-видимому, происходит, когда лед CO2 (конденсирующийся из атмосферы зимой) размораживается на поверхности Марса.
Могут ли эти два явления быть связаны? Если да, то как может тонкий сезонный слой сухого льда, отложившийся над реголитом, вызвать образование обломочных потоков декаметрового размера, которые ведут себя так, как если бы они были смазаны жидкостью?Чтобы лучше понять взаимодействие между инеем CO2 и поверхностными материалами, Седрик Пилорже, исследователь1 в Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS / Universite Paris-Sud), и Франсуа Форже, ученый CNRS в Лаборатории динамической метеорологии2 (UPMC / ENS Paris / CNRS / Ecole polytechnique) разработали численную модель для моделирования окружающей среды на склоне. От нижележащего реголита до атмосферы, представленной выше, модель учитывает обмены энергией из-за излучения, теплопроводности или вызванные изменениями фаз CO2.
Ключевой характеристикой мест, где конденсируется лед CO2, является то, что на несколько сантиметров ниже поверхности всегда есть слой вечной мерзлоты, состоящий из цементированных водяным льдом зерен. Таким образом, когда СО2 конденсируется на поверхности зимой, воздух, присутствующий в пористой приповерхностной зоне, оказывается в ловушке между непроницаемым слоем вечной мерзлоты внизу и слоем льда СО2 наверху.
В таких условиях численное моделирование, проведенное Седриком Пилорже и Франсуа Форже, показало удивительное поведение. В конце зимы или весной солнечный свет проникает в полупрозрачный слой СО2-льда и нагревает его снизу. Лед СО2 не тает, а «сублимируется» (переходит прямо в парообразное состояние). Этот газ диффундирует вниз через приповерхностную пористую почву.
Там фракция может повторно конденсироваться, а остальной газ накапливаться в пористом объеме. Это может значительно увеличить приповерхностное давление, в несколько раз превышающее значение атмосферного давления.
Слой льда CO2 в конечном итоге разрывается, вызывая резкую декомпрессию. В течение от нескольких секунд до нескольких минут несколько кубических метров газа (и, возможно, несколько десятков кубометров вокруг вентиляционных отверстий) должны пройти через почву. Такие флюсы способны дестабилизировать зерна почвы с образованием гранулированных потоков.
Более того, они также могут псевдоожижать лавину, которая может вести себя как вязкая жидкость.Хотя этот процесс не имеет точного аналога на Земле, он может быть связан с земными пирокластическими потоками, которые представляют собой смеси газов с частицами, образующиеся во время извержений вулканов.
Такие потоки могут преодолевать несколько километров даже на очень умеренных склонах. Они могут переносить камни метрового размера, и было обнаружено, что у них есть боковые «дамбы», которые очень похожи по размеру на те, что наблюдаются по бокам марсианских оврагов. Как и на Земле, где селевые потоки, вызванные дождем или таянием снега, являются редкими явлениями, вполне вероятно, что для дестабилизации склонов требуется необычное сочетание условий.
Модель, созданная двумя французскими учеными, также может объяснить, почему овраги Марса расположены в основном в диапазоне широт 30 ° -60 °, с несколькими точками на более высоких широтах, и почему большинство оврагов находится на склонах, обращенных к полюсу, между 30 ° и 45 °. ° широты. Повышение давления и псевдоожижение, вызванное CO2, по прогнозам, произойдет именно там, где наблюдаются овраги.Все эти результаты предполагают, что солнечное нагревание сезонного сухого льда, оседающего зимой на марсианских склонах, является причиной части — а, возможно, всех — оврагов, наблюдаемых на планете Марс.
Этот процесс не имеет земных аналогов и не требует жидкой воды. Согласно этому исследованию, в недавнем прошлом Марса область оврагов не могла обеспечить потенциально пригодную для жизни среду.
1 Седрик Пилоргет был докторантом в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт, Пасадена, США), когда проводилось это исследование, и теперь является докторантом CNES в IAS 2 LMD является частью Института Пьера-Симона-Лапласа.