Исследование причин происходящих резких изменений содержания хлороводорода в атмосфере Марса провела группа ученых из отдела физики планет Института космических исследований (ИКИ) РАН и других научных организаций, 4 декабря сообщает пресс-служба ИКИ РАН.

Проведенные с помощью российского спектрометрического комплекса ACS, установленного на борту орбитального аппарата для исследования малых составляющих атмосферы (TGO) миссии «ЭкзоМарс-2016», одновременные измерения содержания хлороводорода (HCl, или соляная кислота) и водяного льда в атмосфере Марса, показали, что, скорее всего, «виноваты» в том, что хлороводород не сохраняется надолго в атмосфере этой планеты, частицы водяного льда.

Само наличие хлороводорода в атмосфере Марса было установлено с помощью ACS лишь в 2020 году и очень удивило исследователей по двум причинам. Во-первых, молекул HCl было слишком много для углекислой и очень разреженной атмосферы Марса — до 5 частиц на миллиард в единице объема (ppbv). А во-вторых, их количество быстро и очень резко менялось. Так, оказалось, что уже через несколько дней после обнаружения концентрация хлороводорода не превышала 0,1 ppbv.

Эти резкие скачки не соответствовали сложившимися представлениями о химии марсианской атмосферы, по которым молекулы соляной кислоты должны бы сохраняться в ней в течение нескольких месяцев.

Ученые предположили, что причина такого явления — обыкновенный водяной лед, поскольку именно кристаллики водяного льда в стратосфере Земли хорошо поглощают молекулы хлороводорода. В этом случае содержание водяного льда (но не водяного пара) в атмосфере Марса должно быть тем больше, чем меньше в ней молекул HCl.

Для проверки этой гипотезы Михаил Лугинин, Александр Трохимовский и их коллеги из отдела физики планет ИКИ РАН и других научных организаций изучили данные, полученные двумя спектрометрами комплекса ACS за два с половиной марсианских года, по земному счету — с конца мая 2018 по конец июля 2022 гг.

Командой исследователей было установлено, что содержание хлороводорода в течение этого времени периодически менялось приблизительно одинаковым образом. Так, когда Марс наиболее близко находился к Солнцу (период весны и лета в Южном полушарии) концентрация HCl в атмосфере в этой части планеты возрастала примерно до 5,5 ppbv.

Далее в процессе общей циркуляции воздушные массы с хлороводородом из Южного перемещались в более холодное Северное полушарие, где в это время была зима, и концентрация HCl падала в несколько раз. При этом минимальные значения содержания соляной кислоты были на небольших высотах, что соответствует предположению, что при образовании частиц водяного льда они поглощали молекулы хлороводорода.

Исследователи с помощью ACS одновременно провели замеры содержания хлороводорода и водяного льда в атмосфере на разных высотах. И в ряде случаев они обнаружили четкую антикорреляцию между содержанием молекул HCl и частицами водяного льда.

Таким образом, в атмосфере Марса было установлено существование слоев с большим количеством частиц водяного льда (облаков из водяного льда), в которых одновременно очень мало или вообще нет молекул хлороводорода. Тогда как в существующих там же слоях с максимальной концентрацией хлороводорода максимальна и концентрация водяного пара.

Ученые такие «слоистые» структуры «лед — хлороводород — лед» назвали «ледяными дырками» (ice holes), по аналогии с озоновыми дырами.

Исследователи рассчитали, как сильно наличие частиц водяного льда сокращает «время жизни» молекулы хлороводорода. Если ранее полагали, что молекула HCl сохраняется в атмосфере Марса несколько месяцев, то новые оценки сократили это время до нескольких часов, существенно изменив представления о химических процессах на Марсе.

Результаты проведенного исследования ученые представили в статье «Доказательства быстрого поглощения хлористого водорода водяным льдом в атмосфере Марса» (Evidence of rapid hydrogen chloride uptake on water ice in the atmosphere of Mars), опубликованной в журнале Icarus, 411, 115960.

Однако они подчеркивают в ней, что получен только предварительный результат и необходимо изучить картину в целом, учтя в ней не только процесс поглощения молекул хлороводорода, но и продукты этой реакции. Также возможно существование в атмосфере Марса, кроме формирования водяного льда, других механизмов, разрушающих HCl.

Еще один важный и нерешенный вопрос — откуда хлороводород поступает в атмосферу Марса. Раз уж он, как показали наблюдения, «живет» там не очень долго, то должен быть более или менее постоянный источник этого вещества.

Для ответов на все отмеченные учеными вопросы необходимы дальнейшие исследования, которые должны включать как непосредственные наблюдения, так и численное моделирование и лабораторные эксперименты, в которых на Земле будут воспроизведены некоторые условия Марса.