Используя Очень Большой Телескоп ESO (VLT), а также инструменты обсерватории Кека (W. M. Keck Observatory) и Инфракрасный телескоп NASA (Infrared Telescope Facility), астрономы на протяжении шести лет регулярно отслеживали изменения параметров атмосферы Марса и картографировали распределение свойств воды в разных ее частях. Такие карты получены впервые. Результаты исследования опубликованы в онлайн-выпуске журнала Science.

Примерно четыре миллиарда лет назад на молодом Марсе было достаточно воды, чтобы покрыть всю его поверхность слоем глубиной примерно в 140 метров. Более вероятно, однако, что марсианский океан занимал почти половину северного полушария планеты и достигал в некоторых регионах глубины более 1.6 километров.

«Наше исследование дает надежную оценку количества воды, которая когда-то покрывала поверхность Марса. Эта оценка основана на определении того, сколько воды рассеялось в пространстве, – сказал ведущий автор новой статьи Джеронимо Виллануэва (Geronimo Villanueva), сотрудник Годдардовского центра космических полетов NASA (Гринбелт, штат Мэриленд, США). – После нашей работы стало более понятно, что происходило с запасами марсианской воды». 

Новые оценки, сделанные в работе, базируются на детальных наблюдениях двух немного различных форм воды, существующей в атмосфере Марса. Одна из них – знакомая всем вода, молекулы которой состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, H₂O. А другая – это HDO, или полутяжелая вода – встречающаяся в природе разновидность воды, в которой один из атомов водорода замещен его тяжелым изотопом дейтерием.

Поскольку дейтериевая вода тяжелее обычной, она медленнее рассеивается в пространстве вследствие испарения. Поэтому чем больше потери воды с поверхности планеты, тем большим должно быть отношение количества HDO к H₂O в оставшейся воде (для сравнения, в земных океанах на одну молекулу HDO приходится примерно 3200 молекул H₂O).

Ученые изучали химические проявления присутствия двух типов воды на Очень Большом Телескопе ESO в Чили, а также на инструментах Обсерватории Кека и на Инфракрасном телескопе NASA на Гаваях. Хотя зонды, спускаемые на поверхность Марса и обращающиеся вокруг него в качестве искусственных спутников, могут обеспечить гораздо более детализированные измерения in situ, они не приспособлены для мониторинга свойств всей марсианской атмосферы в целом. Это делать удобнее всего с инфракрасными спектрографами, установленными на больших наземных телескопах.

Измеряя и сравнивая отношения HDO к H₂O, ученые определяли, насколько увеличилась доля HDO, а отсюда – и сколько воды улетучилось в пространство. Это, в свою очередь, позволило оценить количество воды, существовавшее на Марсе в далеком прошлом. 

Астрономы многократно картографировали распределение H₂O и HDO на протяжении более чем шести земных лет (что соответствует примерно трем марсианским годам). Результатом этой работы стали глобальные карты распределения обоих типов воды, а также их отношения. Несмотря на то, что современный Марс представляет собой пустыню, карты выявили присутствие сезонных изменений и микроклиматические проявления.

Сотрудник ESO Улли Кёфль (Ulli Kaeufl), создатель одного из приемников, использованных в данной работе, и соавтор новой статьи, добавляет: «Я опять ошеломлен поразительной мощью астрономических телескопов. Подумать только, мы сумели найти следы древнего океана на расстоянии более 100 миллионов километров!» 

Группа особенно интересовалась областями вокруг северного и южного полюсов Марса, так как марсианские полярные шапки – самые большие известные на планете резервуары воды. Предполагается, что накопленное в них вещество содержит информацию об эволюции воды на Марсе от влажной Нойской эпохи, закончившейся около 3.7 миллиардов лет назад, до настоящего времени. 

Новые результаты говорят о том, что атмосферная вода в околополярных областях в семь раз богаче дейтерием по сравнению с океанской водой на Земле, откуда следует, что в марсианских полярных шапках она богаче в восемь раз. Чтобы достичь такого уровня обогащения дейтерием, Марс должен был потерять объем воды, в 6.5 раз превышающий объем современных полярных шапок. Таким образом, объем первобытного океана на Марсе должен был составлять как минимум 20 миллионов кубических километров.

Если судить по современному рельефу марсианской поверхности, вероятным местонахождением этого  океана были Северные Равнины – они расположены очень низко и уже давно считаются кандидатом на эту роль. Древний океан мог покрывать 19% поверхности планеты. Для сравнения, Атлантический океан занимает 17% поверхности Земли.

«Если Марс потерял такое количество воды, то очень вероятно, что влажный период продолжался здесь гораздо дольше, чем до сих пор считалось, а значит и обитаемой планета могла быть в течение большего времени», – говорит Майкл Мумма (Michael Mumma), ведущий сотрудник Годдардовского центра и второй автор данной работы.

Возможно, когда-то на Марсе было еще большее количество воды – некоторая часть ее могла находиться под поверхностью планеты. Новые карты свидетельствуют о микроклиматических временных изменениях содержания воды в атмосфере, а значит, они могут помочь и в продолжающихся поисках подземных залежей воды на Марсе.

Источник: пресс-релиз Южно-Европейской обсерватории