Полярные шапки Марса: лед или углекислота?

Полярные шапки Марса: лед или углекислота?

Несмотря на то что полярные шапки Марса известны уже давно, с того времени, как их увидели в телескоп, строение их и в настоящее время вызывает споры. Белый цвет шапок позволяет предполагать, что они сложены льдом. Но какой это лед? Такой же, как в Антарктиде и Арктике?

Интересно, что размеры полярных шапок периодически изменяются, причем это совпадает со сменой сезонов года на Марсе. Так, зимой шапки увеличиваются в размерах, а весной и летом - уменьшаются. Если летом шапки ограничиваются приблизительно широтой 80-85° на севере и приблизительно широтой 80° на юге, то зимой они расширяются до 65°, а южная даже до 55°. В. Гершель, обративший на это внимание в 1784 г., считал, что полярные шапки состоят из снега и льда, и весной они сокращаются в размерах - тают, выделяя воду. Однако в 1969 г. с космической станции были получены данные, что полярные шапки состоят не из обычного водного, а из сухого льда - замерзшей углекислоты. Температура материала полярных шапок оказалась очень низкой -125° С - как раз такой, при которой происходит конденсация углекислого газа.

Состав полярных шапок, по-видимому, более сложный и изменяется в зависимости от сезонов. Работы советских исследователей Ю. В. Алехина, И. В. Закирова, А. Т. Базилевского и К. П. Флоренского показали, что в составе полярных шапок есть и обычный лед, и сухой, состоящий из замерзшей углекислоты, а также лед промежуточного состава - газгидрат. Соотношение этих трех составных частей в полярных шапках меняется от сезона к сезону. Осенью с понижением температуры до -73° С происходит вымораживание паров воды из атмосферы и образование устойчивого снегового покрова, состоящего из водного льда. Этот покров распространяется к югу и ложится на поверхность океанической равнины, на песчаные формы, кратеры, однако не перекрывает их полностью в силу своей очень незначительной - всего доли миллиметра - мощности. Зимой при дальнейшем понижении температуры образуется сначала газгидрат, который еще при более низкой температуре -148°С разлагается на твердые углекислоту и воду. С повышением температуры этот процесс имеет обратный ход, и весной уже снова образуется лед из твердой воды; летом с повышением температуры он перейдет в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Как результат этого процесса наблюдается уменьшение размеров полярных шапок.

Размеры полярных шапок Марса неодинаковы. Северная шапка несколько больше южной. Ее диаметр равен 1000 км, тогда как южной 700 км. Предполагается, что абсолютная высота южной полярной шапки на 1-2 км больше северной.

Полярные шапки несколько сдвинуты от полюсов. Особенно это характерно для южной полярной шапки, которая вся располагается в стороне от географического полюса. С чем это связано? На Земле центр Антарктиды также смещен, хотя и ненамного, от южного географического полюса, а центр Северного Ледовитого океана не совпадает с северным географическим полюсом. По-видимому, причиной этого как на Земле, так и на Марсе является неравномерное распределение масс с различной силой тяжести внутри планеты в зависимости от ее вращения и изменения во времени положения магнитных полюсов.

Если рассматривать полярные шапки более внимательно, то обнаружится много интересных, порой не совсем понятных деталей и особенностей. На поверхности северной шапки наблюдается два куполовидных вздутия высотой от 200 до 1000 м. Они разделяются Северным каньоном - широкой (до 10 км) долиной, прорезающей полярную шапку в диагональном направлении и приуроченной, по всей вероятности, к тектоническому нарушению. Куполовидное поднятие наблюдается и на южной полярной шапке. Что они собой представляют - пока не ясно. Это могут быть и тектонические купола, и подледные вулканы, какие наблюдаются в Исландии, и просто выступы основания, облекаемые льдом, как в Антарктиде.

Примечательной особенностью марсианских полярных шапок являются спиральные концентрические линии или полосы, хорошо выделяющиеся своим темным цветом на общем белом фоне поверхности. С одной стороны они как бы сходятся в центре, а с другой - они расходятся, описывая ряд окружностей вокруг этого центра. Особенно отчетливо эти линии выражены на северной полярной шапке, имеющей большую площадь по сравнению с южной. Здесь выделяются два центра с развитыми вокруг них концентрическими полосами. Долгое время исследователи спорили, являются ли они уступами или трещинами. Даже если бы существовали многочисленные трещины или троги, как предполагал Д. Кате, темные полосы представляли бы отвесные их стенки. Когда темные полосы увидели на фотографиях большего разрешения, оказалось, что это не что иное как многочисленные уступы извилистой формы, в целом образующие концентрически округлую структуру шапок.

Из чего состоят эти темные уступы, почему они отличаются от белой поверхности шапок и как они образовались? На все эти вопросы трудно ответить однозначно, и исследователи предлагают различные объяснения и гипотезы. Так, например, Д. Катс в 1973 г. предположил, что темный цвет полос объясняется таянием загрязненного льда полярной шапки на склонах южной экспозиции, получающих больше тепла по сравнению со склонами северной экспозиции. Вследствие этого на склонах обнажается вытаивающий обломочный материал, аналогичный, по-видимому, морене вытаивания на земных ледниках.

Предполагаемые зональное строение и состав полярных шапок Марса в период их наибольшего развития (зимой). По Ю. В. Алехину, И. В. Закирову и др. (1977 г.)

В том же году Б. Муррей предположил, что на полюсах развиты многочисленные слоистые поверхности, состоящие из водного льда или твердой углекислоты и силикатной пыли, а возможно, из их смеси. Уступы, в которых обнажается этот материал, предположительно выработаны ветром. Образование слоистых поверхностей можно связать с изменением наклона полярной оси Марса. Вокруг каждого нового положения полюса образовывались слоистые отложения.

Подобная точка зрения высказана А. Хаммондом. Темные и светлые полосы он связывает с наличием или отсутствием пыли в истории формирования марсианских полярных шапок. В соответствии с этим темные полосы состоят из пыли, а светлые - изо льда. В настоящее время большинство ученых поддерживает эту гипотезу, что придает ей большое значение при восстановлении климатических условий, существовавших на Марсе раньше. Концентрическое строение уступов, их выпуклая дугообразная форма в плане объясняется влиянием вращения планеты.

На происхождение уступов нет единой точки зрения. По-видимому, оно связано с комплексом процессов - эрозии ветром и разрушения под воздействием чередующихся процессов таяния и замерзания отложений и льда.

Таким образом, марсианские полярные шапки состоят из переслаивания пыли и льда, образующих крупные пластины. Длина пластин достигает 300-500 км. Каждая пластина имеет темный фронтальный уступ и светлую поверхность. Крутизна уступа от 4 до 12°, а светлая поверхность полого (1-2°) наклонена в противоположную сторону. Из-за асимметричного строения пластин в поперечном профиле они образуют куэстообразные формы^*. Каждая такая пластина состоит из 10-20 и более мелких темных и светлых слоев мощностью 20-30 м, придающих уступу характер лестницы. Общая мощность такой пластины достигает 1 км.

^* (Куэста - асимметричная возвышенность в виде гряды с пологим склоном, совпадающим с углом падения пластов, и крутым склоном, срезающим пласты.)

Северная полярная шапка Марса. Светлые пятна - лед, темные полосы - эоловые осадки, обнажающиеся в уступах

Пластины группируются в несколько серий. На северном и южном полюсах их выделяется по четыре. Формирование таких серий объясняется тем, что ось вращения Марса на протяжении последних 10 млн. лет могла перемещаться вследствие внутренних течений вещества в мантии, возможно, связанных с вулканической активностью. Около каждого такого положения оси в северном и южном полярных районах могла формироваться серия пластин. Количество серий - четыре в каждой полярной марсианской шапке - вызвало у некоторых исследователей вопрос: а нельзя ли связать их с оледенением на Земле? Как известно, на Земле выделяется четыре самостоятельных оледенения. И если на Марсе развиты также четыре ледниковых серии, то можно было бы, как считает В. И. Шмуратко, предположить общую для них причину - не планетарные, а глобальные, космические изменения климата. Во всяком случае, по строению шапок Марса можно предполагать цикличные изменения его климата, связанные с изменением количества поступающей солнечной энергии, влияющей на циркуляцию атмосферы, образование ветров и т. д. Б. Муррей в этих циклических изменениях предполагает периоды в 51000 лет и связывает с ними образование отдельных пластин и более продолжительные периоды в 2 млн. лет, в течение которых могли сформироваться серии пластин. Таким образом, возраст полярных шапок Марса может быть относительно молодым - несколько десятков миллионов лет. То, что на поверхности пластин почти отсутствуют кратеры, в какой-то мере подтверждает это. Однако возраст полярных шапок может быть значительно древнее. В связи с этим следует сопоставлять время образования полярных шапок не с четвертичными оледенениями Земли, укладывающимися в последние 1-0,6 млн. лет, а с началом более древнего оледенения Антарктиды.