Щоліта на Марсі, упродовж кількох годин щодня, на захід від згаслого щитового вулкана Арсія Монс з’являється тонка біла хмара завдовжки близько 1800 км. Цю структуру, відому як видовжена хмара Арсія Монс (Arsia Mons Elongated Cloud, AMEC), давно фіксують орбітальні апарати, зокрема Mars Express. Але стандартні моделі атмосфери не могли пояснити її форму та яскравість. Нове дослідження, про яке розповідає Universe Today, пропонує несподіване пояснення: ця хмара може бути першим реальним прикладом так званої однорідної нуклеації — «миттєвого» замерзання водяної пари без жодних частинок-посередників.
Чому ця марсіанська хмара така незвична
На Землі й Марсі хмари зазвичай утворюються, коли вологе повітря піднімається, розширюється й охолоджується. Водяна пара конденсується на мікроскопічних частинках — ядрах конденсації. Це процес гетерогенної нуклеації: молекули води «чіпляються» за пил, кристали солі, продукти забруднення тощо.
Марс відомий своєю запиленістю та глобальними пиловими бурями, тому вчені логічно припускали, що пилові частинки забезпечують ядра конденсації й для AMEC. Однак атмосферні моделі, які враховували звичайну гетерогенну нуклеацію, не відтворювали вузький, надзвичайно яскравий слід хмари, що тягнеться на тисячі кілометрів. Замість цього симуляції давали або розмиті області серпанку, або взагалі не показували довгого «хвоста».
Проблема полягала в тому, що за класичними уявленнями така тонка й стабільна смуга водяного льоду над відкритою марсіанською рівниною не мала б існувати. Це змусило дослідників уважніше придивитися до іншого, більш екзотичного механізму, який зазвичай залишався лише в підручниках.
Однорідна нуклеація: хмара «з нічого»
Теоретично молекули водяної пари можуть об’єднуватися в краплі або кристали льоду й без будь-яких частинок-«затравок». Це явище називається однорідною нуклеацією. У цьому випадку молекули стикаються з такою енергією та за таких умов, що утворюють стійкі зародки рідини або льоду самі по собі.
Але для цього потрібна майже нереальна відносна вологість — настільки висока, що вчені вважали однорідну нуклеацію радше лабораторним курйозом, ніж природним процесом. У реальних атмосферах, де завжди є пил чи інші частинки, гетерогенна нуклеація зазвичай «перехоплює» водяну пару раніше, ніж умови доходять до таких екстремальних значень.
Команда під керівництвом Хорхе Ернандеса-Берналя (Jorge Hernández-Bernal) із Сорбонни показала, що над Арсія Монс улітку Марс може стати винятком із цього правила.
Що відбувається над Арсія Монс
Дослідники використали поєднання погодних моделей і спеціальних мікрофізичних модулів у програмі Mars Planetary Climate Model, щоб відтворити умови в атмосфері навколо вулкана влітку. Виявилося, що ключову роль відіграє взаємодія вітру, рельєфу й пилу.
- Сильні західні вітри вдаряються об 20-кілометровий щитовий вулкан Арсія Монс і різко спрямовуються вгору.
- Це породжує гравітаційні хвилі — стоячі хвилі в атмосфері, які відповідають великим перепадам тиску.
- Повітря, проходячи через ці хвилі, зазнає екстремального адіабатичного розширення й охолоджується приблизно на 30 °C менш ніж за 15 хвилин, до температур нижче ніж −143 °C.
У літній період атмосфера Марса відносно чиста: моделювання показує лише близько 0,1 пилової частинки на кубічний сантиметр. Через це водяна пара не встигає швидко конденсуватися на пилу, і відносна вологість у «кишені» над вулканом зростає до приблизно 10 мільйонів відсотків.
За таких умов, за розрахунками авторів, водяна пара досягає фізичної межі стабільності й починає спонтанно замерзати — відбувається однорідна нуклеація. У кожному кубічному сантиметрі утворюються сотні кристалів льоду, формуючи компактну крижану хмару.
Далі вступає в дію вітер: він виносить ці новонароджені кристали за межі надхолодної зони й розтягує їх у довгий, тонкий «хвіст» завдовжки понад тисячу миль (понад 1600 км). Саме так, за моделлю, виникає видовжена хмара Арсія Монс, яку ми бачимо з орбіти.
Наслідки для інших світів Сонячної системи
Якщо результати цієї роботи підтвердяться, AMEC стане першим відомим природним прикладом однорідної нуклеації в планетарній атмосфері. Це відкриває нові можливості для пошуку подібних процесів в інших місцях Сонячної системи.
Автори припускають, що схожі умови — надзвичайно висока вологість за низької концентрації пилу — теоретично можуть виникати в крижаних шлейфах Енцелада або в полярній мезосфері Землі. Там також можливі екстремальні переохолодження й нестандартні механізми утворення хмар.
Поки що ж яскрава біла смуга над Арсія Монс залишається єдиним відомим природним прикладом настільки рідкісного способу формування хмар. Але нові спостереження й моделі можуть показати, що Марс — не єдине місце, де підручникова «екзотика» стає реальністю.