Ученые узнали, как формируются пылевые облака на Марсе

Численное моделирование образования пылевых облаков в атмосфере Марса провели по разработанной ими теоретической модели сотрудники Института космических исследований (ИКИ) РАН и МФТИ, 10 июля сообщает журнал МФТИ «За науку».

Интерес ученых к исследованиям и описанию пылевой плазмы в ионосферах планет, проявившийся в конце 1990-х — начале 2000-х годов, был связан в том числе с тем, что было разработано несколько методов описания пылевой плазмы, и это позволило применить новые подходы к изучению природных плазменно-пылевых систем.

Кроме того, результаты изучения природной комплексной плазмы могут быть полезны при исследованиях в физике атмосферы, экологии и геофизике. А также можно предположить наличие связи между плазменно-пылевыми процессами ионосферы с различными видами изменения климата, например, с глобальным потеплением.

В последние два десятилетия был достигнут значительный прогресс в исследовании Марса. Так, по данным, полученным миссией Mars Express с использованием инфракрасного спектрометра SPICAM, было доказано, что на этой планете на высотах около 100 км располагаются пылевые облака с размером пылевых частиц порядка 100 нм.

Изображения подобных облаков, которые, вероятно, состоят из частиц сухого льда и образуются в результате конденсации пересыщенного углекислого газа в марсианской мезосфере, были получены в марте 2021 года марсианской научной лабораторией-марсоходом Curiosity. Однако точные механизмы их образования еще предстояло выяснить.

С этой целью ученые МФТИ с коллегами в 2023 году построили модель, которая представляла процесс формирования пылевых облаков на Марсе результатом конденсации паров пересыщенного углекислого газа на скоплениях зародышей. При этом сдерживает и разрушает этот процесс развитие неустойчивостей на нижней границе облака.

Модель основывалась на теориях, описывающих схожий процесс в ионосфере Земли, поскольку земные полярные мезосферные облака, похожие на марсианские, достаточно хорошо изучены. Кроме того, на Земле похожий эффект также наблюдается в тропических широтах после гроз, когда образуются характерные серебристые вымеобразные облака.

Недостатком данной модели было то, что она не учитывала особенности ионосферы Марса, отличающие ее от ионосферы Земли, и новая работа была проведена для уточнения модели с учетом этих особенностей.

В результате уточненная модель показала, что именно неустойчивость Рэлея — Тейлора ограничивает максимально допустимые размеры пылевых частиц в пылевых облаках на Марсе и определяет размеры и форму марсианских облаков.

Результаты расчетов ученые представили в статье «О влиянии неустойчивости Рэлея — Тейлора на формирование пылевых облаков в мезосфере Марса», опубликованной в журнале Solar System Research.

Неустойчивость Рэлея — Тейлора является неустойчивостью границы раздела двух сред различной плотности в случае, когда, например, более плотная среда находится в поле гравитации над средой с меньшей плотностью.

В атмосфере Марса можно выделить три характерных региона по распределению температуры: тропосферу, располагающуюся от поверхности планеты до высоты 50–60 км; среднюю атмосферу, расположенную от верхней границы тропосферы до 110 км, и термосферу, которая, начинаясь со 110 км, достигает границы открытого пространства.

Температура в тропосфере постепенно уменьшается от среднего значения на поверхности Марса (около 210 K) до атмосферного минимума; в средней атмосфере температура примерно постоянна, оставаясь на этом минимуме, тогда как в термосфере она повышается.

В области высот атмосферы 92–112 км, которую можно назвать зоной конденсации, углекислый газ находится в состоянии сильного перенасыщения. Частицы конденсата взаимодействуют с ионами и электронами окружающей ионосферы, получая определенный заряд, влияющий на процесс их роста.

В нижней зоне, которую можно назвать зоной сублимации, углекислый газ, конденсирующийся на поверхности микрочастицы, испаряется. А в верхней зоне осаждается (седиментирует). Определяют характерное время жизни плазменно-пылевых облаков, которые так похожи на серебристые облака на Земле, именно процессы в зоне сублимации.

Пылевые облака на Марсе, согласно наблюдениям, имеют резкую границу снизу: чуть ниже облака концентрация пылевых частиц пренебрежимо мала. Поэтому можно говорить о возникновении на этой границе неустойчивости Рэлея — Тейлора и описать динамику границы системой уравнений Навье — Стокса и неразрывности. Именно это и сделали авторы исследования.

Заведующий лабораторией плазменно-пылевых процессов ИКИ РАН Сергей Попель пояснил суть проведенного исследования:

«Плазменно-пылевые облака марсианской мезосферы в основном состоят из твердых частиц сухого льда. У нижней границы облака есть чистый газ из атмосферы, а выше — более плотный газ с пылью. Это неустойчивый процесс, так как более плотный слой оседает на менее плотный. Кроме того, из-за низкой температуры в атмосфере Марса углекислый газ оказывается пересыщенным, так что любая частица, попавшая в ионосферу, начинает забирать на себя много газа, образуя увеличивающийся зародыш, который проваливается вниз. Неустойчивость Рэлея — Тейлора приводит к разрушению облака. В результате исследования нам удалось выяснить, как именно в ходе этого процесса определяются размеры и форма облаков».

В результате моделирования исследователи установили, что именно развитие неустойчивости Рэлея — Тейлора ограничивает максимальный размер облачных микрочастиц сверху величиной порядка нескольких сотен нанометров. Полученный результат согласуется с данными наблюдений.

Значение данного исследования в том, что оно продвигает понимание устройства и эволюции атмосферы Красной планеты и процессов формирования облаков, что станет основой для дальнейшего изучения Марса, отмечается в публикации.