В июле 2018 года ученые сообщили, что радар автоматической межпланетной станции Mars Express обнаружил под ледяной поверхностью южной полярной равнины Марса полость, предположительно заполненную жидкой водой. Такой вывод они сделали на основе анализа данных 29 пролетов над этой областью, произошедших в 2012—2015 годах. Это подледное озеро диаметром около 20 км, расположенное на глубине 1,5 км, стало первым известным постоянным водоемом на Красной планете. Новое исследование, объединяющее уже 134 наблюдения за период с 2012 по 2019 год, не только подтвердило наличие этого озера, но и выявило еще три.
Автоматическая межпланетная станция Mars Express Европейского космического агентства (European Space Agency), работающая на орбите Марса с 2003 года, предназначена для изучения атмосферы, климата, структуры и геологии Красной планеты. Еще одна важная задача, стоящая перед этой станцией,— поиск следов воды. Для ее решения на борту установлен специализированный радар для зондирования ионосферы и глубинных слоев марсианской поверхности MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding), разработанный учеными университета «Сапиенца» в Риме.
Это низкочастотный радарный эхолот и высотомер, который способен обнаружить жидкую воду или водяной лед на глубине до 5 км под поверхностью. В основе его работы заложен тот же метод, который на Земле был опробован для построения подледной топографии и поиска подледниковых озер в Антарктиде, Гренландии и канадской Арктике, — измерение эхосигналов радиоволн.
Внутренние отражения радиосигнала, возникающие в толще ледника, позволяют воссоздать стратиграфию ледовой толщи и выявить в ней зоны нарушений, а характер отражения от нижней границы — определить, что находится подо льдом: плотная порода, рыхлый материал или жидкость.
Зондирование с помощью MARSIS южной полярной области показало Марса, что район вокруг южного полюса покрыт слоистой толщей водяного льда (чистого или с примесью пыли от 10 до 20%) общей мощностью около 1,5 километров. В какой-то степени ее можно считать аналогом вечной мерзлоты на Земле. Сверху эта толща сезонно покрывается слоем сухого льда — твердого диоксида углерода CO2 — толщина которого в зимнее время достигает 1 м.
В одном месте под слоистым покровом мерзлоты радар зафиксировал область мощного усиления отраженного сигнала размером 20 на 30 км. Сопоставив свойства отраженного сигнала и диэлектрическую проницаемость области, итальянские планетологи, управляющие работой MARSIS и обрабатывающие результаты его наблюдений, пришли к выводу, что это карман с озером жидкой воды (R. Orosei et al., 2018. Radar evidence of subglacial liquid water on Mars). Прибор не смог точно определить глубину озера, но она должна составлять минимум один метр, иначе радар не увидел бы его.
Построив температурный профиль под поверхностью в этой области, ученые оценили температуру озера в −68,15 °C. При этом исследователи исходили из предположения, что температура внутри ледяной толщи меняется линейно от 160 К на поверхности до 170—270 К (в зависимости от толщины слоя льда) в ее основании.
Чтобы оставаться жидкой при таких низких температурах, вода в озере должна быть очень соленой. По мнению авторов, озеро может быть заполнено насыщенным раствором перхлоратов магния, кальция и натрия. Такие растворы могут оставаться жидкими и при более низких температурах. В 2008 году космический аппарат NASA «Феникс» обнаружил перхлораты в почвах северной полярной области Марса. Кроме того, устойчивости жидкой фазы способствует давление огромной толщи льда, так как озеро не имеет выхода на поверхность.
В 2018 году открытие итальянских ученых многие восприняли скептически. Во-первых, наблюдений было очень мало, чтобы делать однозначные выводы. Во-вторых, существование единственного подледникового озера могло быть связано с особыми локальными условиями, например, с когда-то действовавшим под ледяным покровом вулканом.
Исследователи, работающие в проекте MARSIS, продолжили поиски и теперь объявили уже о достоверном открытии целой системы подледниковых озер в районе Ultimi Scopuli в южной полярной области Марса. А это означает, что процесс их образования не является уникальным и подобные озера могут присутствовать и в других места, а Красная планета может обладать огромной подповерхностной гидросферой. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.
До этого больше говорили не о гидросфере, а о криолитосфере Марса, так как считали, что вся вода здесь находится в твердом состоянии. Аппараты Mars Global Surveyor, Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Express подтвердили повсеместное присутствие льда в приповерхностном слое Марса, в том числе в средних широтах. А радиолокатор подземного зондирования SHARAD станции Mars Reconnaissance Orbiter (предшественник радара MARSIS) показал, что это действительно водяной лед.
Большая часть этого льда находится под слоем поверхностных отложений, поскольку при нынешних климатических условиях лед не может стабильно существовать на поверхности — быстро испаряется. Только в приполярных областях температура достаточно низкая для стабильного существования льда в течение всего года — это полярные шапки Марса. Нижняя их часть, сложенная водяным льдом с небольшим количеством пыли, не меняется в течение марсианского года, а вот верхняя часть, мощностью около 1 м, состоящая из замороженного углекислого газа (сухого льда), зимой разрастается, а летом тает. Еще одним исключением являются некоторые кратеры, такие как кратер Королёв, на дне которых лед защищен от испарения слоем холодного воздуха.
По мнению большинства планетологов, в первые эпохи своего существования Марс был похож на Землю. У него была густая атмосфера, океаны из воды и достаточно мягкий климат. Но такие условия там просуществовали недолго — примерно 3,6 млрд лет назад, в начале гесперийского периода начались активные вулканические и тектонические процессы, а к концу этого периода, примерно 3 млрд лет назад Марс лишился магнитного поля и, как следствие, атмосферы, став безжизненной планетой.
Радар MARSIS фиксирует отраженные радиоволны не только от верхней, но и от нижней поверхности ледяного щита, работая и как высотомер, и как георадар. Исключительно ровная и отчетливая отражающая поверхность на глубине около 1,5 километров под слоистой ледяной толщей указала ученым на наличие жидкой воды (рис. 3).
Для выявления подледных озер ученые использовали три главных параметра отраженных от подледной границы радиосигналов: интенсивность, остроту и вариабельность интенсивности. Участки, где высокая интенсивность сигнала сочетается с отчетливыми пиками и резкой сменой вариабельности в районе 6 дБ (именно такая смена интенсивности характерна для границы между твердой и жидкой фазами), с большой вероятностью расположены подледные водоемы (рис. 4).
Однако, даже в пределах обозначенных контуров озер значения вариабельности не везде превышают 6 дБ, а колеблются в диапазоне от 4 до 6 дБ. По мнению авторов, это означает, что часть объема озер заполнена не жидкой фазой в чистом виде, а смесью жидкой и твердой фаз. Как вариант, это может быть и пористый грунт, пропитанный водой.
Все озера, обнаруженные учеными, приурочены к одному горизонту, и скорее всего — судя по расположению — ранее были соединены между собой. Местоположение подледных озер, выявленных эхолотом, было подтверждено путем количественной оценки относительной диэлектрической проницаемости подледного материала на площади около 10 тыс. км2 (рис. 5). Диэлектрическая проницаемость, по которой можно судить о составе и плотности этого материала, была получена из мощности отраженного сигнала в основании ледяной толщи. Так как мощность излучателя MARSIS была откалибрована в земных условиях, исследователи говорят о диэлектрической проницаемости только в терминах относительных величин.
Общая площадь, которую занимают озера, по оценкам исследователей, составляет 75 тыс. км2.
Что касается природы озер, то авторы отвергают версию о локальной магматической активности под областью Ultimi Scopuli, так как они не зафиксировали здесь никакой геотермальной аномалии или даже локального теплового потока. Они объясняют существование жидкой фазы в основании ледового слоя высокой концентрацией растворенных солей в растворах.
По мнению исследователей, в основании ледового слоя могут находиться многочисленные озера, в которых, по аналогии с подледным озером Восток в Антарктиде, могли сохраниться микробы, которые обитали на поверхности Красной планеты, когда у нее был более теплый климат и жидкая вода на поверхности.
По их расчетам, растворимость свободного кислорода в этих рассолах может до шести раз превышать минимальный уровень, необходимый для микробного дыхания, а значит можно ожидать здесь обнаружение не только экстремофилов и анаэробов, и даже аэробных микробов.
Но для начала существование самих подледных озер должны подтвердить независимые наблюдения китайской миссии «Тяньвэнь-1», которая выйдет на орбиту Марса в феврале 2021 года. На борту станции находится радарное оборудование, которое по своим возможностям не уступает MARSIS и SHARAD.