Следуй за СО

Из последних новостей с Марса может сложиться впечатление, что самое интересное на Красной планете — это вода или неуловимый биомаркер метан. В отличие от них, угарный газ кажется довольно «скучным» веществом — его на Марсе сравнительно много и к возможной жизни он отношения как будто не имеет. Но зато он «рассказывает» очень много и подробно о том, как устроена атмосфера Марса: какие химические реакции в ней протекают, как движутся атмосферные массы и стабильна ли она?

В отличие от Земли, основа марсианской атмосферы — углекислый газ конденсируется и сублимируется в полярных областях при смене сезонов. Как на Земле водяной пар, так на Марсе в виде осадков выпадает СО₂, формируя снежный покров толщиной 1–2 м. Количество СО2 в атмосфере меняется, и при этом меняется относительное содержание «заметных» неконденсируемых газов, таких как аргон и угарный газ.

Кроме того, угарный газ не очень стабилен сам по себе. Его основной источник — углекислота CO₂ распадается под действием солнечного света с образованием угарного газа и атома кислорода. Это происходит на высоте более 60 км над поверхностью.

Затем, когда молекула CO, следуя вместе с атмосферными массами, спустится ниже, она с большой вероятностью будет захвачена гидроксильной группой OH и прекратит своё существование, снова превратившись в CO₂ и воду.

«Время жизни» одной молекулы CO оценивается примерно в 5 земных лет (2,5 марсианского года). Этого более чем достаточно, чтобы концентрация CO в атмосфере хорошо «реагировала» на сезонные вариации в атмосфере. А значит, если хорошо измерить, где и в каких концентрациях находится угарный газ, то можно понять, во-первых, как двигаются атмосферные массы в зависимости от сезона, и во-вторых, сколько водяного пара в атмосфере и насколько велика её окислительная способность.

Необходимость «закрыть» этот разрыв диктовалась ещё и тем, что измеренные значения не совсем соответствовали тому, что предсказывали модели марсианской атмосферы, и были выше в 2–4 раза. А значит, что-то не учтено в модели.

Атмосферный комплекс ACS (АЦС) на борту аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016» включает три спектрометра, работающих в разных диапазонах инфракрасного излучения. Он был создан в ИКИ РАН специально для измерения малых составляющих атмосферы Марса (с концентрациями всего несколько частиц на миллиард и даже триллион) на разных высотах от поверхности. Благодаря этому общая «картина» марсианской атмосферы становится гораздо более детальной.

Для изучения угарного газа использовались данные спектрометра среднего ИК-диапазона MIR. Один из основных методов наблюдений — «солнечные затмения», при которых прибор «смотрит» на Солнце через марсианскую атмосферу. Солнечные лучи просвечивают атмосферный слой, и по полученному спектру можно судить о том, какие вещества и аэрозоли составляют атмосферу и, что особенно важно, на какой высоте они находятся. Всего для анализа использовались данные 32 «затмений» с 24 апреля до 28 июня 2018 года. В это время на Марсе заканчивалась зима в южном полушарии и начиналась зима в северном. На этот же период пришлась и глобальная пылевая буря.

Первые измерения проводились на средних и низких широтах южного полушария до северного осеннего равноденствия

Картина циркуляции марсианской атмосферы в очень первом приближении такова: на экваторе преобладают восходящие потоки (атмосфера нагревается), у полюсов — нисходящие, и во время равноденствия это происходит более или менее симметрично в двух полушариях. Циркуляция в виде двух таких ячеек Хедли достаточно быстро, в течение 1–2 недель перемешивает атмосферу. В полярных областях обмен происходит несколько медленнее.

В результате глобальной пылевой бури, которая накрыла атмосферу Марса после северного осеннего равноденствия, концентрация угарного газа уменьшилась, но при этом усилился его перенос из нижних слоев в верхние.

За время наблюдений средняя концентрация угарного газа упала примерно на 20 % (с примерно 1260 до 1079 ppmv). Возможно, что во время пылевой бури молекулы водяного пара поднимаются выше, чем обычно, и, как следствие, образуется больше гидроксильных групп OH, которые превращают CO в CO₂. Наблюдения после пылевой бури показали, что концентрация угарного газа в атмосфере остается более или менее одинаковой до высот около 100 км. До бури эта «планка» стояла на 80 км.

Идя «по следам» угарного газа, можно лучше понять атмосферную циркуляцию Марса. В ближайшем будущем исследователи предполагают, во-первых, изучить изотопный состав угарного газа и, во-вторых, «соединить» данные по CO с данными по водяному пару, озону и кислороду, благодаря чему общая картинка химических реакций и атмосферных движений на Марсе должна стать гораздо более «прозрачной».

***

Проект «ЭкзоМарс» — совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства.

Проект реализуется в два этапа. Первая миссия с запуском в 2016 году включает два космических аппарата: орбитальный Trace Gas Orbiter (TGO) для наблюдений атмосферы и поверхности планеты и посадочный модуль «Скиапарелли» (Schiaparelli) для отработки технологий посадки.

Научные задачи аппарата TGO — регистрация малых составляющих марсианской атмосферы, в том числе метана, картирование распространенности воды в верхнем слое грунты с высоким пространственным разрешением порядка десятков км, стереосъёмка поверхности. На аппарате установлены два прибора, созданные в России: спектрометрический комплекс АЦС (ACS — Atmospheric Chemistry Suit, Комплекс для изучения химии атмосферы) и нейтронный телескоп высокого разрешения ФРЕНД (FREND, Fine-Resolution Epithermal Neutron Detector). Также Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон» с разгонным блоком «Бриз-М».

Второй этап проекта (запуск 2022 г.) предусматривает доставку на поверхность Марса российской посадочной платформы «Казачок» с европейским автоматическим марсоходом «Розалинд Франклин» (Rosalind Franklin) на борту. Россия предоставляет для запуска ракету-носитель «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М».

В рамках обоих этапов в России создаётся объединенный с ЕКА наземный научный комплекс проекта «ЭкзоМарс» для приёма, архивирования и обработки научной информации.