«То появляется, то исчезает»

Марс изучали и изучают десятки аппаратов — в этом году начнут работать еще четыре — но загадок не становится меньше. Мы не понимаем, действительно ли в атмосфере планеты есть метан, есть ли (или были) на Марсе живые организмы и свободная вода. Теперь у нас появился еще один повод поломать голову: зонд Trace Gas Orbiter обнаружил, что в марсианской атмосфере регулярно появляется и исчезает хлороводород. Один из авторов открытия, Александр Трохимовский из Института космических исследований РАН, поговорил с N + 1 о том, как был обнаружен «хлороводородный сезон» и с чем он вообще может быть связан.

Взгляд на просвет

Расскажите о вашем приборе, спектрометре ACS. Правда ли его аналоги создавались еще для станции «Марс-96»?

Разумеется, мы использовали задел с предыдущих миссий. У нас был опыт работы на «Марсе-96», на «Марс-Экспрессе», на «Венера-Экспрессе», мы делали приборы для «Фобос-Грунта», ставили эксперименты на МКС — все это позволило нам накопить опыт. Концепцию ACS мы сформулировали в 2012 году, когда возникла возможность поставить наш прибор на «ЭкзоМарс».

В составе комплекса — три канала, фактически три прибора в одном, как кофе. У каждого из них свои научные задачи, свои спектральные диапазоны — ближний ИК-диапазон, средний ИК-диапазон, и тепловой ИК-диапазон. В 2012 году мы начали разработку, а в 2015 году он уже был поставлен в Европу для установки на аппарат. Это очень быстро для таких проектов, это была большая авантюра. При этом разработка была чисто российская, хотя и с международным участием — например, некоторые детекторы мы закупали за рубежом.

В марте 2016 года TGO полетел к Марсу, добрался туда в октябре, а потом был очень долгий этап аэроторможения. Чтобы выйти на круговую орбиту, использовались не двигатели, а торможение об атмосферу. Только в апреле 2018 года аппарат вышел на рабочую орбиту — круговую высотой 400 километров и наклонением 73 градуса, и мы смогли начать рутинные научные измерения.

Задача TGO, как видно из самого его названия — Trace Gas Orbiter — искать и исследовать малые газовые составляющие. Наш прибор для решения этой задачи использует метод «солнечных просвечиваний», то есть спектрометр смотрит на Солнце через атмосферу, на просвет, и получает спектры. В ближнем ИК-диапазоне это в основном водяной пар — это, конечно, не «малая газовая составляющая» — а вот в среднем ИК-диапазоне от 2 до 4 микрон, как раз регистрируются полосы поглощения всей экзотики: метана, производных метана, формальдегидов, SO₂, и еще длинный список того, что там гипотетически можно искать.

С апреля 2018 года мы работаем ежедневно. Общее количество сеансов измерений уже перевалило за 4 тысячи, то есть три года мы делаем по несколько измерений в день.

А как именно вы смотрите на просвет? Как проходит сеанс измерений?

Прибор постоянно ориентирован на Солнце, уставился на него и смотрит. Аппарат тем временем летит вокруг Марса. В какой-то момент он начинает залетать за Марс, Солнце начинает светить сквозь атмосферу, а мы снимаем спектры — сначала верхних слоев, потом все ниже и ниже, и так пока Солнце не скроется за горизонтом окончательно. Один сеанс наблюдений длится от трех до шести минут, каждый раз мы снимаем профили — распределение концентрации разных газовых составляющих по высоте. На каждом витке два таких сеанса — на закате и на восходе. Один оборот занимает два часа, и таких затмений получается очень много.

При этом мы получаем данные о параметрах атмосферы над какой-то точкой поверхности. Это пятно размером примерно в один квадратный градус. Орбита была специально выбрана так, чтобы обеспечить максимальное покрытие всей поверхности планеты. Мы «простреливаем» атмосферу со всех сторон, над многими точками, слепые зоны у нас есть только над самыми полюсами.

И что вы узнали за три года?

Мы примерно в 100 раз улучшили точность по сравнению с предыдущими приборами. Скажем, мы можем получать профили в интервале высот от 10 до 120 километров, а «Марс-Экспресс» видел диапазон от 30 до 60 километров.

ACS смог намного улучшить картину с водяным паром. Мы измеряем все время и СО₂ — это основной компонент атмосферы, — отслеживаем по нему температуру и давление, что дает нам характеристики климата и сезонные изменения в атмосфере. Исследуем аэрозоли: пыль и водяной лед. Очень хорошо видно, как формируется на разных высотах водяной пар, поднимается, возникают облака на больших высотах — как вода замерзает и превращается в кристаллики льда. И мы с орбиты видим, что это именно кристаллы льда, а не какая-то дымка.

Важен для нас угарный газ (СО). Он возникает из молекул СО₂ на большой высоте, где под действием ультрафиолета от них отделяется атом кислорода. СО довольно много — сотни, тысячи частей на миллион (ppm) — и он очень хорошо характеризует движение атмосферы. На Марсе атмосфера движется по ячейкам Хэдли: на экваторе нагревается, идет вверх, потом к полюсам влево-вправо, там опускается. И с больших высот как раз опускается больше СО — это такой маркер динамики атмосферы. По СО мы можем видеть, с какой скоростью двигаются ячейки, какого они размера.

Мы поучаствовали в истории с метаном: в 2019 году у нас вышла статья с отрицательным результатом, мы метана не нашли. Известно, что американский марсоход Curiosity метан находил — [поэтому и] мы стали измерять, и метана не видим, причем не видим с хорошей точностью. Если американцы рапортовали, что они обнаружили концентрации порядка 500 ppt (частей на триллион), то мы определяем верхний предел как 50 ppt, и иногда даже лучше, то есть выше этих значений метана точно нет.

При этом разговор идет именно про объемную концентрацию, то есть если они ее на поверхности видят, то она должна быть и на большой высоте. Хотя метан по геологическим меркам короткоживущий газ, но он живет все-таки достаточно долго — около 300 лет. Поэтому предположить, что метан как-то возник рядом с марсоходом, а потом быстро исчез, не успев попасть в верхние слои атмосферы, все-таки нельзя.

Можно предположить, что что-то не очень хорошо в самом марсоходе. Не исключено, что это земной метан, который остался в приборе, там нужны совсем микроскопические количества, которые легко могут остаться даже в хорошей лаборатории. Возможно, их марсоход и меряет.

Был момент, когда мы на своих спектрах тоже увидели пики, которые сначала отнесли на счет метана. Начали проверять, выяснили, что на метан не похоже. Начали разбираться, решили, что это инструментальная ошибка. Потом стало понятно, что нет, это действительно полосы поглощения, но неизвестно чьи. Привлекли людей, которые занимаются атомной физикой, масс-спектроскопистов, они думали-думали, и пришли к выводу, что мы открыли новую полосу углекислого газа. Причем эта полоса раньше считалась запрещенной.

Мигающая кислота

Как вы поняли, что в атмосфере Марса есть соляная кислота? И почему статья вышла именно сейчас?

Можно сказать, что это был счастливый случай. Когда мы только начали работать, прошли по всему списку газов, проверили, убедились, что наш прибор действительно в 100 раз улучшает предыдущие верхние пределы — и расслабились. Начали работать над улучшением калибровок, известными данными, но хлороводорода на тот момент мы не видели, хотя модели предсказывали, что он должен быть.

Обнаружили мы его только спустя два года. Дело в том, что не все марсианские сезоны, не все состояния атмосферы благоприятны для наблюдений — когда в воздухе много пыли, трудно получить хорошие спектры, сложно видеть нижние слои атмосферы, поэтому мы преимущественно анализировали «зимние» спектры, когда в южном полушарии наступает зима и в атмосфере не так много пылевых частиц.

Наш британский коллега и соавтор Кевин Олсен смотрел другие газы, в частности, водяной пар HDO (это так называемая «полутяжелая вода», где вместо одного атома легкого водорода, протия, атом дейтерия — прим. N+1), и решил заглянуть в «неудобные» сезоны. В частности, проверить, что видно в период марсианского южного лета за 2018 год, когда на планете бушевала глобальная пылевая буря. И линии HCl оказались не на самых удачных орбитах, а наоборот, на самых неудачных с точки зрения наших представлений. Анализ спектров делается автоматизированно: мы довольно быстро подняли все наши данные, прогнали все орбиты, и тут же стала видна общая картина происходящего. А дальше пошли детали — восстановление профилей, на каких высотах, сколько содержание, как это перемешивается по полушариям.

Дело оказалось в том, что хлороводород [в атмосфере] то появляется, то исчезает, и этого модели не предсказывали. Предполагалось, что если он есть, то он есть. Никто не ожидал такой сезонной зависимости. Но выяснилось, что он появляется только в определенный сезон и почти мгновенно исчезает. Более того, он может присутствовать на одной орбите, а на следующей день в той же точке его уже нет.

То есть работают какие-то очень быстрые механизмы его разрушения и очень локализованные источники, точно определенные условия по температуре, влажности и по количеству пыли.

Когда и где в атмосферу попадает хлороводород? Одновременно с пылевыми бурями?

Он возникает в основном именно в южном полушарии, когда там лето. Марсианские сезоны «несимметричны» из-за значительного эксцентриситета орбиты: южное лето на Марсе жарче, потому что оно совпадает с перигелием. 

На этот период в основном приходится и сезон пылевых бурь, и в этот же период в атмосфере появляется и HCl. В это время его можно детектировать и в северном полушарии, но туда он забрасывается как раз ячейкой Хэдли, «через верх», за счет того, что теплые массы атмосферы передвигаются с одного полушария на другое. И это видно по нашим данным, потому что концентрация хлороводорода на юге в этот момент в несколько раз выше той, что на севере.

То есть пока он перемещается с юга на север, какая-то доля его успевает распасться. Характерное время жизни этих молекул — порядка дней. «Хлороводородный сезон» длится примерно четверть марсианского года, то есть половину земного. Южное лето заканчивается и HCl просто исчезает в обоих полушариях, и мы его не видим там с очень хорошей точностью. Когда он есть, мы видим величины порядка 5 ppb (частей на миллиард), а потом мы его не видим с точностью раз в 20 меньше, то есть его концентрация должна быть ниже сотен ppt (частей на триллион).

Что касается связи с пылевыми бурями, то пыль не позволяет нам проводить измерения в тех областях, где она есть. Поэтому построить корреляцию с пылью получилось не очень хорошо. Плюс, судя по всему, она не столь однозначна, как нам в первый момент показалось. В 34-м марсианском году (2018-м по земному летоисчислению — прим. N+1), когда было первое детектирование HCl, была большая пылевая буря на Марсе. Это было самое начало миссии, и казалось, что вот она, причина, появления хлороводорода, и вот почему его не было до этого — потому что до этого не было такой мощной пылевой бури.

Но сейчас мы понимаем, что не все так просто: у нас есть данные на следующий год, когда бури не было, просто пылевой сезон. Но при этом содержание HCl было сопоставимо с временем бури. Необязательно, видимо, много пыли, чтобы он появился.

Откуда берется и куда пропадает

Что на Марсе производит соляную кислоту? Вулканы?

Строго говоря, эта версия не исключена, но все, что мы видим, свидетельствует против нее. Я могу начать загибать пальцы: во-первых, это отсутствие серосодержащих компонентов, SO₂. Вулканы на Земле разные, но они всегда продуцируют водяной пар, углекислый газ, много диоксида серы, и совсем немного хлороводорода. Если бы HCl на Марсе был вулканическим, то мы тогда должны были регистрировать и SO₂, но его нет. Зная, сколько HCl в атмосфере мы примерно, с оглядкой на земные вулканы, можем прикинуть сколько должно быть SO₂, но таких значений мы и близко не видим.

Во-вторых, нет никакой локализации. В первую очередь, мы, конечно, посмотрели широты и долготы. Если бы это был вулкан, то была бы хоть какая-то корреляция по широте-долготе. Циркуляция на Марсе хоть и быстрая, перемешивание идет примерно за неделю, но мы делаем измерения по два раза в сутки, при таком количестве наблюдений мы бы это как-то засекли. Кроме того, в случае вулканов были бы видны температурные аномалии на поверхности, «теплые пятна», а их нет.

В-третьих, против вулканизма говорит явная сезонность появления HCl. Он достигает пиковых концентраций во время лета в южном полушарии, когда планета проходит перигелий. Это то время, когда разогревается атмосфера, водяной пар поднимается высоко в атмосферу, бывают пылевые бури (не всегда, но бывают). Все указывает на то, что это какой-то атмосферно-поверхностный процесс, не вулканы.

То есть источник — пыль?

Мы знаем, что на поверхности есть соединения хлора, марсоход Curiosity находил перхлораты, хлор на поверхности в большом количестве найден, но как именно идет процесс — неясно. Корреляции точной с пылью нет, но есть с водяным паром, если больше воды в атмосфере, то больше и HCl, поэтому он привязан к теплому сезону. Может быть, NaCl в атмосфере взаимодействует с водяным паром, образует HCl.

Мы не знаем точно, как он распадается, пока этот механизм неясен. Скорее всего он так или иначе возвращается в поверхность, потому что молекула достаточно тяжелая, она не может с планеты улетать. А вот встретиться со свободным атомом кислорода и сформировать перхлораты — ClО₄, распасться на водород и хлор под действием того же ультрафиолета на больших высотах, он может. Магматическая гипотеза не исключена, хотя это должны быть какие-то иные вулканы, очень непохожие на земные.

Сейчас точных ответов на вопрос, откуда берется хлороводород и как он исчезает, у нас нет. Но наш результат открывает для людей, которые занимаются теорией, новый пласт. Потому что открытые вопросы: про время жизни, про возникновение, про стоки — это очень интересно для марсианской науки.

Беседовал Илья Ферапонтов