Оксиды железа придают поверхности и атмосфере Марса характерный оттенок. Однако под этим тончайшим слоем, местами не толще нескольких миллиметров, краснота исчезает.
Когда мы смотрим на Землю из космоса, мы видим, что даже наш родной мир переливается множеством разнообразных цветов. Небо у нас голубое, потому что атмосфера рассеивает коротковолновый синий свет во всех направлениях, придавая ей характерный оттенок.
Океаны тоже синие, так как молекулы воды лучше поглощают длинноволновый красный свет, чем синий. Континенты же предстают коричневыми или зелеными, в зависимости от растительности (или ее отсутствия), а ледяные шапки, ледники и облака всегда белые.
Однако такое цветовое разнообразие свойственно далеко не всем планетам. Возьмем, к примеру, нашего соседа — Марс. Здесь доминирует один цвет: красный. Почва красная – красная повсюду. Низины красные, возвышенности красные, высохшие русла рек красные, песчаные дюны красные — все красное. Атмосфера сама по себе также имеет красноватый оттенок, где бы мы ее ни измеряли.
Единственным исключением из этого «красного правила», кажется, являются марсианские полярные шапки и облака — они белые, хотя при наблюдении с Земли и кажутся слегка подкрашенными красным. И все же, что удивительно, эта «краснота» Марса невероятно поверхностна; копни чуть глубже, и она исчезнет. Давайте разберемся в научной подоплеке того, что делает Красную планету такой красной.
Из космоса краснота Марса неоспорима. На протяжении всей письменной истории, на самых разных языках, краснота Марса была его самой заметной чертой. «Мангала» — санскритское название Марса — означает «красный». «Хар-дешер» — его древнеегипетское имя — буквально переводится как «красный». И по мере нашего продвижения в космическую эру, фотографии, четко разделяющие поверхность и атмосферу, показывают, что воздух над Марсом сам по себе имеет присущий ему красный цвет.
В земной атмосфере доминирует рэлеевское рассеяние, которое разбрасывает синий свет во все стороны, в то время как красный свет проходит относительно беспрепятственно. Однако атмосфера Марса составляет всего лишь 0,7% от плотности земной (или в 140 раз разреженнее), что делает рэлеевское рассеяние от молекул газа в марсианской атмосфере крайне неэффективным; его эффект ничтожен.
Вместо этого, доминируют частицы пыли в марсианской атмосфере, и вероятно, двумя способами: во-первых, пыль лучше поглощает свет в коротковолновой части спектра (400-600 нм), чем в длинноволновой (600+ нм), отфильтровывая часть синего света. Во-вторых, более крупные частицы пыли (около 3 микрон и более) рассеивают длинноволновый красный свет эффективнее, чем молекулы газа рассеивают коротковолновый синий свет при рэлеевском рассеянии, тем самым преимущественно направляя красный свет во все стороны.
Если присмотреться к взвешенной в атмосфере марсианской пыли и задаться вопросом «какая она?», ответ окажется весьма информативным. Уже по ее спектральным свойствам — или тому, «как она влияет на свет» — мы видим, что эта пыль очень похожа на те регионы Марса, которые обладают высокой отражательной способностью, представляют собой светлые почвенные отложения и богаты железом, то есть содержат большое количество оксидов железа.
Когда мы детально изучили эту пыль (возможно, самые важные детали были раскрыты прибором OMEGA на борту миссии Mars Express Европейского космического агентства), мы обнаружили, что наиболее распространенный тип пыли состоит из нанокристаллического красного гематита, химическая формула которого α-Fe₂O₃. Частицы, составляющие этот гематит, малы: их диаметр составляет от 3 до 45 микрон. Это как раз тот размер и состав, благодаря которому быстрые марсианские ветры, обычно дующие со скоростью около 100 км/ч, постоянно поднимают большое количество пыли в атмосферу, где она остается довольно хорошо перемешанной, даже в полное отсутствие пыльных бурь.
Однако, когда мы смотрим на саму марсианскую поверхность, история становится гораздо интереснее. С тех пор как мы начали детально изучать марсианскую поверхность — сначала с помощью орбитальных аппаратов, а затем спускаемых модулей и роверов — мы заметили, что детали поверхности Красной планеты со временем меняются. В частности, мы обратили внимание, что состав марсианской поверхности можно разделить на более темные и более светлые участки, и эти разделения со временем изменялись.
Фактически, на основе наших наблюдений мы увидели, что темные области эволюционируют по определенной схеме: они начинались как темные, затем покрывались пылью, которая, как мы подозреваем, происходила из более светлых областей, заставляя их самих становиться светлее, а затем «светлые» части как бы исчезали, и они снова становились темными.
Долгое время мы не знали, почему происходят эти изменения, или какие процессы вызывают эти наблюдаемые изменения. Однако через некоторое время мы начали замечать, что у изменяющихся темных областей было несколько общих черт, особенно по сравнению с темными областями, которые не менялись. Главное отличие заключалось в следующем: темные области, которые менялись со временем, имели относительно меньшую высоту, меньшие уклоны и были окружены более светлыми областями. Напротив, более высокие, с более крутыми склонами и очень большие темные области не менялись подобным образом со временем.
Еще в 1967 году двое ученых — один из которых, по стечению обстоятельств, был Карл Саган — разгадали эту загадку: Марс покрыт слоем этой тонкой песчаной пыли, которую ветры гоняют по всей марсианской поверхности. Этот песок переносится с места на место, но этой пыли легче перемещаться на короткие расстояния, чем на длинные; она с большей охотой движется с возвышенностей в низины или между участками сопоставимой высоты, нежели снизу вверх на значительные высоты; и, наконец, её легче сдувает с крутых склонов, чем с пологих.
Другими словами, красная пыль, доминирующая в цветовой палитре Марса, должна быть лишь «кожей» планеты. В данном случае это даже не поэтический оборот: большая часть Марса покрыта слоем пыли толщиной всего несколько сантиметров, а то и миллиметров! Даже в регионе, где пыль наиболее густая — обширном плато, известном как регион Фарсида (Tharsis), состоящем из трех очень больших вулканов, немного смещенных от горы Олимп (которая видна к северо-западу от плато) — ее толщина оценивается всего лишь около двух метров.
Возможно, взглянув на эти факты, вы зададитесь вопросом: есть ли у нас как топографическая карта Марса, так и карта распределения оксидов железа на Марсе, и коррелируют ли эти карты каким-либо образом друг с другом?
Это разумная мысль, и мы вернемся к ней через секунду, но сначала важно кое-что осознать: «оксид железа» не всегда означает «красная марсианская пыль», как можно было бы наивно предположить. Во-первых, оксиды железа присутствуют повсюду на Красной планете, в том числе в коре, в застывших потоках лавы и в марсианской пыли, подвергшейся реакциям окисления с атмосферой. Учитывая, что атмосфера даже сегодня содержит значительное количество как углекислого газа, так и воды (оба могут фотоионизироваться), существует легкодоступный источник кислорода, способный окислять любой богатый железом материал, попадающий на поверхность, где он контактирует с атмосферой.
В результате, когда мы смотрим на карту оксидов железа Марса — опять же, созданную великолепным прибором OMEGA на борту Mars Express ЕКА — мы видим, что да, оксиды железа есть везде, но их концентрация выше всего в северных и средних широтах и ниже всего в южных широтах.
С другой стороны, топография Марса показывает, что высота Красной планеты интересно меняется по ее поверхности, и это лишь частично коррелирует с содержанием оксидов железа. Южное полушарие преимущественно находится на гораздо большей высоте, чем низины на севере. Максимальные высоты приходятся на богатый оксидами железа регион Фарсида, но в низинах к востоку от него содержание оксидов железа резко падает.
Вероятно, это связано с древним столкновением на ранних этапах истории Марса: столкновением, которое, возможно, не только породило две существующие луны Марса, Фобос и Деймос, но и третью, более крупную, внутреннюю луну, которая, вероятно, упала обратно на Марс миллиарды лет назад.
Нужно понимать, что красный гематит (Fe₂O₃), одна из форм оксида железа, который, возможно, является главным виновником «красноты» Марса, — не единственная форма оксида железа. Существует также магнетит (Fe₃O₄), который имеет черный цвет, а не красный. Хотя глобальная топография Марса, по-видимому, играет роль в распределении оксидов железа, она явно не единственный фактор, и, возможно, даже не главный в определении цвета Марса.
Мы полагаем — и эта картина остается неизменной уже много лет — что существует яркая, глобально распределенная, однородная пыль, которая поднимается в атмосферу и остается там. Эта пыль фактически взвешена в разреженной марсианской атмосфере, и хотя такие события, как пыльные бури, могут увеличивать ее концентрацию, она никогда не оседает до пренебрежимо низкого значения.
Атмосфера Марса всегда богата этой пылью, и именно эта пыль придает атмосфере ее относительно однородный цвет. К тому же нам приходится считаться с тем, что цветовые характеристики поверхности Марса вовсе не однородны.
«Оседание атмосферной пыли» — это лишь один из факторов, определяющих цвет поверхности различных регионов Марса. Это то, что мы очень хорошо усвоили благодаря нашим спускаемым аппаратам и роверам: Марс вовсе не обладает однородным красным цветом. На самом деле, сама поверхность скорее имеет оранжевато-сливочный оттенок, а при изучении различных скальных объектов и отложений на поверхности обнаруживается еще большее разнообразие цветов: коричневый, золотистый, рыжевато-коричневый и даже зеленоватый или желтый, в дополнение к обычным оранжевым и красным. Основной фактор, определяющий цвет марсианского камня, просто зависит от того, какие минералы составляют эти отложения.
Один из вопросов, который все еще находится на стадии исследования, — это точный механизм образования этих частиц красного гематита. Хотя существует много идей, связанных с молекулярным кислородом, он встречается лишь в крошечных, следовых количествах в результате фотодиссоциации воды. Реакции с участием воды или высоких температур возможны, но термодинамически они менее предпочтительны.
Один из предпочтительных вариантов — реакции с участием перекиси водорода (H₂O₂), которая естественным образом встречается на Марсе в низких концентрациях, но действует как очень сильный окислитель. Тот факт, что мы видим большие количества α-Fe₂O₃, но не гидратированных минералов трехвалентного железа (что указывает на нехватку воды, или обычной H₂O), может быть признаком этого пути.
Альтернативно, мы могли бы получить этот красный гематит просто в результате чисто физического процесса: эрозии. Если смешать порошок магнетита, кварцевый песок и кварцевую пыль и вращать в колбе, часть магнетита превратится в гематит. В частности, «черная» смесь (с преобладанием магнетита) станет красной, поскольку кварц разрушается, обнажая атомы кислорода, которые присоединяются к разорванным связям магнетита, образуя гематит. Возможно, представление о том, что «вода ответственна за оксиды железа», в конечном счете, является ошибочным.
Итак, в общем и целом, Марс красен из-за гематита – красной разновидности оксида железа. Хотя оксиды железа встречаются во многих местах, только гематит в значительной степени ответственен за красный цвет, а мелкие частицы пыли, взвешенные в атмосфере и покрывающие верхние несколько миллиметров или метров марсианской поверхности, полностью отвечают за тот красный цвет, который мы видим.
Если бы мы каким-то образом смогли успокоить атмосферу на очень долгие периоды времени и позволить всей марсианской пыли в ней осесть на поверхность, можно было бы ожидать, что рэлеевское рассеяние стало бы доминировать, как на Земле, окрасив небо в синий цвет.
Однако это верно лишь отчасти; поскольку марсианская атмосфера настолько разреженная и слабая, что небо казалось бы очень темным, почти черным, лишь с легким голубоватым оттенком. Если бы удалось успешно заблокировать яркость, исходящую от поверхности планеты, вы, вероятно, смогли бы увидеть некоторые звезды и до шести планет — Меркурий, Венеру, Землю, Юпитер, Сатурн, а иногда и Уран — возможно, даже днем.
Марс может быть красной планетой, но на самом деле лишь ничтожно малая его часть действительно красная. К счастью для нас, эта красная часть — самый внешний слой его поверхности, была поднята ветрами и распространилась по всей марсианской атмосфере, и окрашивает всю планету в красный цвет. Удивительно, но именно это крошечное количество материала и создает тот образ красной планеты, который мы воспринимаем.
Итан Сигел — доктор наук, астрофизик.
Читайте также: Новые споры о том, что мы уничтожили жизнь на Марсе
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.