На Марсе, похоже, работает способ рождения ледяных облаков, который физики считали слишком маловероятным для реальной атмосферы. Исследователи смогли воспроизвести гигантское облако у вулкана Арсия только после того, как добавили в модель необычный процесс: водяной пар превращается в кристаллы льда без пылинки или другой частицы, на которой обычно начинается замерзание.
Подсказку дал один из самых странных погодных феноменов Марса. Весной и летом в южном полушарии возле 20-километрового вулкана Арсия каждое утро возникает длинное белое облако из водяного льда. Воздушный поток вытягивает его почти на 1800 км, после чего облако быстро рассеивается. Цикл повторяется месяцами.
Аппарат Марс-экспресс регулярно наблюдает этот феномен с 2018 года. Ученые давно знали, что облако рождает сам вулкан: ветер наталкивается на огромную гору и поднимает влажный воздух вверх. Однако обычная физическая модель никак не могла правильно воспроизвести наблюдаемую картину.
Проблема крылась в самом рождении кристаллов. Обычно молекулам воды нужна поверхность, на которой они смогут собраться и замерзнуть. На Земле такую роль играют частицы соли, сажи, пыльцы или пыли, на Марсе главным кандидатом считают пыль. Физики называют процесс гетерогенным зарождением льда.
Но возле Арсии, судя по расчетам, вода способна обойтись без такой опоры. Молекулы водяного пара сами собираются в мельчайшие ледяные частицы. Процесс называют гомогенным зарождением льда. Теория давно допускала его существование, однако требовала настолько сильного пересыщения водяного пара, что в настоящих атмосферах планет механизм обычно считали практически недостижимым.
У Арсии природа создает нужные условия всего за несколько минут. Когда ветер проходит над вулканом, гора порождает мощную атмосферную волну, которая подбрасывает влажный воздух на несколько километров. За десять минут температура падает примерно на 30 °C, влажность резко растет, и водяной пар начинает превращаться прямо в ледяные частицы. После добавления этого механизма в расчеты модель наконец воспроизвела характерную форму облака и его развитие во времени.
Наблюдать рождение отдельных кристаллов исследователи пока не могут, поэтому работа не доказывает механизм напрямую. Авторы получили сильное косвенное подтверждение: без гомогенного зарождения льда расчеты плохо совпадали с реальным облаком, а после его добавления совпадение стало заметно лучше. Некоторые различия между моделью и наблюдениями при этом остались.
Для проверки ученые использовали данные трех приборов Марс-экспресса. Аппарат особенно полезен для изучения Арсии, поскольку может снимать большую часть поверхности утром, когда необычное облако еще существует, и следить за его изменениями в течение нескольких часов. Подробности наблюдений и механизма также опубликованы в описании миссии.
На Земле и Венере физики раньше допускали гомогенное образование ледяных частиц высоко в атмосфере, но увидеть процесс в природе пока не удавалось. Марсианское облако показывает, что экстремальные условия все же могут возникать естественным путем. Теперь исследователям придется проверить, не упускали ли модели тот же механизм при объяснении редких облаков на Земле и других планетах.
