Сотрудники Института космических исследований РАН и МФТИ провели численное моделирование образования пылевых облаков в атмосфере Марса. Работа опубликована в Solar System Research.

В конце 1990-х — начале 2000-х годов все больше внимания стали уделять исследованиям и описанию пылевой плазмы в ионосферах планет. Это связано, во-первых, с тем, что к этому времени было изобретено достаточное количество методов описания пылевой плазмы и стало возможным применить разработанный подход к изучению природных плазменно-пылевых систем. Во-вторых, результаты, полученные в области природной комплексной плазмы, могут быть полезны для исследований в физике атмосферы, экологии и геофизике. Наконец, в-третьих, изучение ионосферной плазмы, естественно, началось с Земли, и в случае Земли нельзя исключить наличия связи между плазменно-пылевыми процессами ионосферы с одной стороны и с различными видами изменения климата, например процессами глобального потепления, с другой.

За последние два десятилетия также значительно возрос интерес к исследованию Марса. По результатам миссии Mars Express с использованием инфракрасного спектрометра SPICAM было доказано наличие на Марсе на высотах около 100 км пылевых облаков с характерным размером пылевых частиц порядка 100 нм. Эти облака, по-видимому, состоят из частиц сухого льда и образуются в результате конденсации пересыщенного углекислого газа в марсианской мезосфере.

В марте 2021 года Марсианская научная лаборатория-марсоход Curiosity отправила на Землю изображения подобных облаков. Точные механизмы их образования в настоящее время неизвестны, и проводятся исследования с целью их выяснения.

Чтобы выяснить, как образуются облака, ученые еще год назад построили модель, в которой формирование облаков обусловлено конденсацией паров пересыщенного углекислого газа на скоплениях зародышей, а сдерживает и разрушает этот процесс развитие неустойчивостей на нижней границе облака. Они основывались на теориях, которые описывали схожий процесс в ионосфере Земли, так как полярные мезосферные облака на Земле, похожие на марсианские, изучены достаточно хорошо.

В земной атмосфере схожий эффект также наблюдается в тропических широтах после гроз. Он приводит к образованию характерных серебристых вымеобразных облаков.

Вымеобразные облака в непальских Гималаях. © Anton Yankovyi. Собственная работа, CC BY-SA 4.0

Редкое природное явление — полярные мезосферные облака в небе над Санкт-Петербургом. Источник: Joshua Humpfer / Unsplash.com

В предыдущей работе особенности ионосферы Марса, отличающие ее от ионосферы Земли, не были использованы. Целью новой работы явилось уточнение модели, основанное на их учете.

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

Распределение температуры в атмосфере Марса таково, что можно выделить три характерных региона: тропосферу (от поверхности планеты до высот около 50–60 км), среднюю атмосферу (от верхней границы тропосферы до 110 км) и термосферу (начиная со 110 км до границы с открытым пространством). В тропосфере температура атмосферы постепенно уменьшается от среднего значения на поверхности Марса (около 210 K) до атмосферного минимума; в районе средней атмосферы температура остается примерно постоянна и равна минимуму, а в термосфере происходит повышение температуры.

Деление марсианской атмосферы на зоны: седиментация с постоянной массой (I), конденсация (II) и сублимация (III). Сплошная линия — давление насыщенных паров углекислого газа, штрихпунктирная линия фактическое давление паров углекислого газа. Источник: Solar System Research

В диапазоне высот 92–112 км углекислый газ сильно перенасыщен. Эту область можно назвать зоной конденсации. В процессе роста частицы конденсата взаимодействуют с ионами и электронами окружающей ионосферы, приобретая при этом определенный заряд, что влияет на дальнейший процесс роста.

Верхнюю область можно назвать зоной седиментации (осаждения), нижнюю — зоной сублимации. В зоне сублимации углекислый газ, конденсирующийся на поверхности микрочастицы, испаряется. Таким образом, процессы в зоне сублимации определяют характерное время жизни плазменно-пылевых облаков, похожих на серебристые облака на Земле.

Неустойчивость Рэлея — Тейлора возникает на границе раздела системы «газ + пыль», которая находится в гравитационном поле, если верхнее полупространство заполнено смесью газа и пыли, а нижняя половина — чистым газом. Пылевые облака, как было показано наблюдениями, имеют резкую границу снизу: чуть ниже облака концентрация пылевых частиц пренебрежимо мала. В таких случаях динамику границы можно описать системой уравнений Навье — Стокса и неразрывности, что и было сделано авторами 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», — объясняет Сергей Попель, заведующий лабораторией плазменно-пылевых процессов ИКИ РАН.

Развитие неустойчивости Рэлея — Тейлора, как оказалось в результате моделирования, ограничивает максимальный размер облачных микрочастиц сверху величиной порядка нескольких сотен нанометров. Это значение согласуется с данными наблюдений.

Зависимость характерного времени развития неустойчивости Рэлея — Тейлора (тонкие линии) от размера частиц пыли по сравнению с характерным временем седиментации (толстые линии) для высот 80 и 100 километров. Сплошные линии соответствуют концентрации 1 частица на кубический сантиметр, пунктирные — 10 частицам на кубический сантиметр, штрих-пунктирные — 100 частицам. Источник: Solar System Research

Проведенное исследование открывает новые горизонты для понимания устройства и эволюции атмосферы Марса, а также процессов формирования облаков. Оно станет основой для дальнейшего изучения Красной планеты.

Ученые выяснили механизм формирования пылевых облаков на Марсе