Наблюдения, которые стали основой работы, проводились в начале северного лета и захватили как северное (широты 40–50 градусов), так и южное полушария планеты (широты 30–62 градуса). В выборку вошли 20 профилей атмосферы (профиль — информация о её состоянии по высоте): 9 — для севера, 11 — для юга.

Далее началась самая сложная часть. Взяв уже существующие данные об атмосфере Марса, исследователи моделировали варианты ослабления солнечного излучения от взаимодействия с аэрозолями, «меняя» состав, размеры и концентрацию частиц. Некоторые предположения пришлось сделать, используя более ранние данные других марсианских аппаратов, — например, о том, где именно микронные аэрозоли состоят в основном из водяного льда, а где из пыли (данные SPICAM сами по себе не несут этой информации, то есть не могут сказать что-то определенное о природе частиц).

Идея, которую предполагалось проверить, заключалась в том, что аэрозоли в атмосфере Марса состоят из частиц, сильно отличающихся по размерам и присутствующих одновременно на одних и тех же высотах (это называется «бимодальное распределение» аэрозоля). При этом предполагалось, что более крупные частицы состоят из водяного льда и пыли, а мелкие — только из пыли.

Чтобы установить, так ли это, исследователи скрупулезно промоделировали возможные изменения, которые претерпевает солнечный свет после взаимодействия с частицами аэрозоля разных размеров, и «наложили» эти результаты на экспериментальные данные. Исходное предположение подтвердилось, но, что ещё важнее, стали известны более тонкие детали распределения аэрозоля в зависимости от широты и полушария. Последнее — важные подробности, поскольку сезоны в разных «половинках» Марса отличаются (например, северное лето холоднее) и это определяет весь климат на планете.

В северном полушарии в высоких широтах (от 60 градусов) уровень «крупной» фракции аэрозоля простирается до высот 30 км, в средних — поднимается до 40–50 км, причём выше 20 км это, в основном, водяной лёд, а ниже — пыль. Радиусы частиц составляет около 0,76 микрон (пыль) и 1,2 мкм (водяной лёд), а концентрация колеблется соответственно в пределах 0,4–2 и 0,01–0,3 частицы на кубический см.

«Мелкой» пыли гораздо больше: на высоте 10 км количество доходит до 10 тысяч частиц в кубическом см, а уже на 30–35 км — 100 частиц в том же объёме. Её средний размер укрупняется от полюса к экватору: 0,039 мкм на широтах выше 60 градусов и 0,048 — ниже (средняя величина 0,044 мкм).

В южном полушарии, как известно по другим наблюдениям, атмосфера в целом достаточно чистая. Средний размер крупных частиц пыли на широтах выше 50 градусов составил 0,75 мкм, а число в кубическом сантиметре меняется от 0,1 до 2. Частицы водяного льда более крупные — радиус приблизительно равен 0,86 мкм, концентрация же меняется от 0,005 до 0,05 в кубическом см. Средний радиус мелкой пыли больше, чем на севере: 0,07 мкм — а концентрация падает с высотой от 100 (на 35 км) до 0,6 частицы (на 70 км) в кубическом см. В низких широтах небо практически чистое, и концентрация аэрозоля мала.

Интересно, однако, что в этой области на высотах 40–50 км в ультрафиолетовом диапазоне обнаружился слой аэрозоля с пока не определенным составом. Если это пыль, то частицы оказывают очень мелкими (0,06 мкм), а их число в кубическом сантиметре очень большим — от 100 до 3000. В случае с частицами водяного льда их размер будет несколько крупнее, а концентрация, напротив, меньше. Своим существованием этот слой может быть обязан глобальному течению теплых воздушных масс из северного (летнего) полушария в южное, где они охлаждаются и опускаются (так называемая ячейка Хедли). Такая циркуляция характерна для сезона, близкого солнцестоянию в обоих полушариях.

Что означают полученные данные для понимания климата Марса? Частицы аэрозолей — центры конденсации водяного пара, источник облаков, которые, в свою очередь, определяют температурный режим на планете. Прежде всего, их интересно сравнить с недавним открытием — в атмосфере Марса обнаружен водяной пар в перенасыщенном состоянии. Последнее означает, если упрощать, что водяного пара в атмосфере больше, чем кажется нормальным при данной температуре. Роль аэрозолей здесь ключевая, поскольку именно вокруг них конденсируются пары воды и мелкие частицы аэрозоля (размерами порядка десятков микрометра и более) — хорошие ядра конденсации.

Мелкая «мода» аэрозолей наблюдалась на всех орбитах (хотя её распределение по высоте и концентрация в двух полушариях менялись), а её предположительные радиусы достаточно хорошо согласуются с тем, когда и при какой температуре наблюдали перенасыщенное состояние марсианской атмосферы в северных высоких широтах. Если спускаться ниже к экватору, то возникают некоторые сложности: хотя здесь достаточно много аэрозоля (больше одной частицы на кубический см), одновременно наблюдается и водяной пар в перенасыщенном состоянии. Вероятно, в данном случае дело в низкой температуре (около −130 — −110 градусов Цельсия), которая затрудняет процесс зародышеобразование частиц новой фазы (нуклеацию) и конденсацию пара. Это же, вероятно, работает и в южном полушарии, где также наблюдалось перенасыщенное состояние пара, несмотря на одновременное присутствие мелкого аэрозоля.

Другой вопрос — почему мелкая мода стабильно наблюдалась на протяжении около 76 марсианских дней. Сами по себе малые частицы аэрозоля живут недолго, особенно в присутствии крупных частиц: они слипаются (коагулируют), опускаются на поверхность планеты либо «превращаются» в облака. Простые оценки, проведенные исследователями, показали, что наличие мелкой моды в северном полушарии требует, чтобы существовала некий постоянный источник «подпитки» мелких частиц — прежде всего, пыль, поднятая с поверхности ветром. При этом встает вопрос, насколько эффективно такая мелкая пыль по сравнению с микронной фракцией может быть поднята с поверхности. В южном полушарии, согласно таким же оценкам, мелкие аэрозоли могут «жить» дольше — порядка 50–100 дней.

«Марс-Экспресс» (Mars Express) — проект Европейского космического агентства. Его задачи — изучение марсианской атмосферы и климата, минералогического состава и геологических структур поверхности, распространенности воды в разных формах на планете. Россия принимает участие в проекте с самого его начала. Важная роль в нём принадлежала Василию Ивановичу Морозу (1931–2004 гг.), тогда руководителю отдела физики планет и малых тел Солнечной системы Института космических исследований (ИКИ) РАН и научному руководителю миссии «Марс-96».

Часть приборов на борту «Марс-Экспресс» были изготовлены с участием России:

· видимый и инфракрасный картирующий спектрометр OMEGA (Observatoire pour la Mineralogie, l'Eau, les Glaces et l'Activite) предназначен для изучения минерального состава поверхности планеты, а также поиска воды в различных состояниях.

· планетный Фурье-спектрометр PFS (Planetary Fourier Spectrometer). Цель эксперимента — изучение атмосферы Марса, в первую очередь, её температуры на разных высотах.

· инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометр SPICAM (The Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars).

Кроме этого, в большинстве научных групп европейского проекта (по одному на эксперимент) российские ученые работают в качестве соисследователей (co-investigators).

Аппарат был выведен в космос и отправлен на траекторию перелёта к Марсу 2 июня 2003 г. с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Союз» с разгонным блоком «Фрегат» (запуск обеспечен европейско-российским предприятием Starsem).

Источник: пресс-центр ИКИ РАН