Важной особенностью марсианской мезосферы являются пылевые облака, образующиеся в результате конденсации углекислого газа. Они имеют характерный размер частиц пыли около 100 нм и располагаются на высотах около 100 км. Марсианские пылевые облака напоминают серебристые облака на Земле, которые образуются в мезосфере нашей планеты на высотах около 80 км. Для изучения этого явления ученые МФТИ с коллегами разработали математическую модель, описывающую возможный механизм образования облаков и их эволюцию. Согласно модели, формирование облаков обусловлено конденсацией паров пересыщенного углекислого газа на скопления пылевых зародышей в атмосфере Марса, а сдерживает и разрушает этот процесс развитие неустойчивостей на нижней границе облака. Результаты работы опубликованы в журнале Jetp Letters.
Фотография марсианских облаков, снятых в марте 2021 года аппаратом Mars Science Laboratory Curiosity. Облака расположены на высотах свыше 60 км и состоят, судя по всему, из частиц сухого льда
Атмосферы нашей и Красной планет различны по составу: в атмосфере Земле доминируют азот и кислород, а на Марсе 95% атмосферы составляет углекислый газ. Как следствие, облака марсианской мезосферы в основном состоят из твердых частиц сухого льда, тогда как пылевые частицы серебристых облаков Земли — это водяные льдинки, на которые приходится всего лишь 0,5% массы атмосферного газа. В то же время у атмосфер Земли и Марса немало общего: планеты имеют идентичные качественные профили температуры, можно выделить одинаковые характерные зоны (ионосферу, мезосферу и т. п.). Такая схожесть дает возможность адаптировать многие земные модели для марсианских условий, что и было сделано авторами исследования.
Базовые уравнения предложенной модели описывают седиментацию (осаждение) пылевых частиц в пересыщенных парах углекислого газа, рост пылинок и их зарядку, а также изменение электронной и ионной компонент ионосферной плазмы с течением времени. Численное решение этих уравнений дает возможность проиллюстрировать формирование слоистой структуры пылевого облака, время осаждения которого составляет несколько минут. Однако оказалось, что первоначальный набор уравнений, являющийся аналогом описания земных серебристых облаков, не учитывает всех нюансов.
«Картина до конца не складывалась, но в итоге мы получили еще один эффект, влияющий на образование облаков и корректирующий модель, — неустойчивость Рэлея — Тейлора. Ее можно наглядно представить себе на примере кофе со сливками, когда на менее плотную жидкость сверху наливают более плотную. Постепенно сливки “пробивают себе дорогу вниз”. Нечто подобное происходит и с облаками: у нас ниже нижней границы облака есть “чистый” газ атмосферы, а выше — в зоне облака — газ, “начиненный пылью”, он более плотный. В результате и на границе раздела развиваются неустойчивости. Это “обратный” процесс, он разрушает облако. Неустойчивость приводит к тому, что плазменно-пылевые облака могут существовать только при достаточно малых размерах составляющих их пылевых частиц, а также к тому, что существует верхний предел толщины облака», — рассказала об исследовании один из его авторов Юлия Резниченко, ассистент кафедры высшей математики МФТИ.
Данные графики наглядно иллюстрируют результаты расчетов. Слева — временная эволюция высотного распределения пылевых частиц в марсианских облаках, образовавшихся в результате седиментации пылевого облака зародышей, первоначально составляющего модельный прямоугольный профиль концентраций на высотах 110–120 км. Справа — зависимость характерного времени развития неустойчивости Рэлея — Тейлора и времени седиментации пылевых частиц от их размеров на высоте 90 км.
«При экстремально низких температурах атмосферы Марса углекислый газ ионосферы оказывается сильно пересыщенным. В таких условиях любая частица, попавшая в ионосферу, начинает очень быстро собирать на себя молекулы углекислого газа. Это похоже на эффект заброса соли в перегретую свыше 100 градусов дистиллированную воду — мгновенное испарение. За счет конденсации углекислого газа пылевые зародыши увеличиваются в размерах, набирают массу и “проваливаются” вниз. Поскольку исходное расположение зародышей неодинаково, разные слои пыли поглощают разное количество углекислого газа, что приводит к перемешиванию слоев друг с другом, “сплющиванию” первоначального облака зародышей и образованию тонкой слоистой структуры, что и показано на рисунке слева», — подчеркнула Юлия Резниченко.
На правой картинке сравниваются между собой характерное время развития неустойчивости Рэлея — Тейлора и время седиментации облака для пылинок разных размеров. Видно, что при достаточно больших концентрациях пылевых частиц время развития неустойчивости оказывается больше времени седиментации только для некрупных частиц. Это означает, что образование облака за счет перемешивания пылевых слоев будет эффективнее его разрушения рэлей-тейлоровской неустойчивостью лишь при достаточно малых размерах пылевых частиц, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Теоретическое моделирование явлений марсианской атмосферы очень важно для дальнейшего изучения планеты, ведь оно дает нам возможность более адекватно интерпретировать новые экспериментальные данные, а наше представление о Марсе строится именно на этом. Так что будем надеяться, что исследование облаков на достигнутом не остановится и впереди нас ждут новые интересные открытия.
