Планеты и луны Солнечной системы поглощают энергию Солнца, но при этом излучают ее обратно в космос. Разница между этими двумя показателями называется радиационным энергетическим бюджетом, или РЭБ. «РЭБ и его пространственное распределение [по широтам] напрямую влияют на тепловые характеристики поверхности и атмосферы» планет, — сообщил Live Science по электронной почте Лиминг Ли, профессор физики в Хьюстонском университете и второй автор исследования. Это означает, что РЭБ планеты определяет ее климат.

Ученые детально изучили РЭБ Земли и обнаружили «избыток энергии в тропиках и дефицит энергии в полярных регионах», — сказал Ли. Однако годовая РЭБ Земли в значительной степени сбалансирована: количество поглощенной солнечной энергии примерно уравновешивает количество тепла, излучаемого в течение года (хотя парниковые газы изменяют этот показатель до незначительного чистого поглощения).

В отличие от этого, исследователи мало что знают о РЭБ Марса, особенно о том, сбалансирован ли он. Хотя теория предполагает, что так и должно быть, без точных цифр это трудно понять.

Незнание РЭБ Марса также мешает исследователям лучше понять климат планеты. Curiosity и другие марсоходы НАСА запечатлели тонны марсианских погодных явлений. Самые яркие из них — пыльные бури, захватывающие планету и возникающие в южном полушарии Марса. Некоторые из них достаточно мощные, чтобы поставить под угрозу нынешние и будущие исследовательские миссии. Но эти наблюдения не дают представления о долгосрочном климате на всей планете. По словам ведущего автора исследования Ларри Гуана, докторанта Хьюстонского университета, оценка РЭБ Марса позволит частично решить эту загадку.

Для этого Гуань, Ли и исследователи из университетов США, Испании и Южной Кореи использовали данные об инфракрасном и видимом излучении, которое испускала и отражала поверхность Марса в течение нескольких лет. Эти данные были собраны спектрометром Thermal Emission Spectrometer на борту ныне не существующего аппарата НАСА Mars Global Surveyor и охватывали пять марсианских лет (около 10 земных лет, поскольку один марсианский год равен 687 земным дням). На основе этих измерений исследователи рассчитали, сколько энергии поглощает и излучает Марс в разных широтах — от экватора до полюсов. Для сравнения исследователи также рассчитали земное РЭБ, усредненное за 10 земных лет, по полосам широт.

Исследователи обнаружили, что когда в северном полушарии Марса наступают весна и лето, область вокруг северных широт поглощает больше энергии, чем излучает, создавая «избыток энергии», сосредоточенный на северном полюсе планеты. Аналогичным образом, во время осени и зимы в северном полушарии и весны и лета в южном полушарии происходит обратная картина: избыток энергии развивается над более южными регионами, хотя он сильнее и охватывает все полушарие. Исследователи предположили, что этот экстремальный сценарий возникает потому, что во время южной весны Марс находится на самом близком расстоянии от Солнца, что максимизирует количество получаемой планетой солнечной энергии.

Избыток энергии может также вызывать глобальные пылевые бури, предполагает исследование. По мере того как южное полушарие нагревается, нагревается и слой тонкой атмосферы Марса, соприкасающийся с ним. Это создает условия, которые могут поднимать частицы пыли, вызывая тем самым бури, предположили исследователи.

Но верно и обратное: Пылевые бури, вероятно, влияют на РЭБ планеты. Набор данных Mars Global Surveyor включает измерения во время пылевой бури, которая возникла в южном ударном бассейне Hellas Planitia и накрыла всю планету одной южной весной. Анализ этих данных показал, что бури имеют тенденцию уменьшать как поглощаемую солнечную энергию, так и излучаемое Марсом тепло, возможно, из-за многочисленных пылевых частиц, плавающих в атмосфере.

Несмотря на эти сезонные дисбалансы, годовой РЭБ Марса примерно сбалансирован. Но если рассматривать его в разных широтах, то он существенно отличается от земного. «На Земле недостаток энергии наблюдается на полюсах, а на Марсе — в тропиках, и наоборот, избыток», — рассказал Гуань в интервью Live Science по электронной почте. Это означает, что в то время как полюса Земли поглощают меньше энергии, чем излучают, полюса Марса ведут себя прямо противоположно».

Кроме того, по словам Гуана, в отличие от Земли, полярный РЭБ Марса может меняться на 100% в разные сезоны. Это может быть связано с тонкой атмосферой планеты, предположил Ли, которая препятствует распределению энергии между тропиками и полюсами.

Эти открытия открывают новые горизонты для понимания марсианского климата и потенциальных воздействий на будущие миссии по исследованию Красной планеты. Знание о том, как радиационный энергетический бюджет влияет на атмосферные явления, такие как пылевые бури, может помочь планировщикам миссий лучше подготовиться к условиям на поверхности Марса.

Пылевые бури, которые могут длиться месяцы, представляют собой серьезную угрозу для марсоходов и других исследовательских аппаратов. Большие облака пыли могут блокировать солнечный свет и, как показали предыдущие исследования, значительно снизить эффективность солнечных батарей. Понимание того, что приводит к усилению или ослаблению этих бурь, может помочь в разработке стратегий для защиты оборудования и обеспечения его функциональности в критические моменты.

К тому же, информация о дисбалансе РЭБ на Марсе может изменить наши представления о климатических моделях не только на Красной планете, но и о климате в более широком смысле. Обсуждение о том, как различные планеты поглощают и излучают энергию, может углубить наше понимание о возможных климатических режимах на других планетах за пределами нашей Солнечной системы. Это может быть особенно важно в контексте поиска экзопланет с возможными условиями для жизни, где климатические факторы окажут значительное влияние на возможности обитания.

Важно подчеркнуть, что эти результаты также могут стимулировать дальнейшие исследования атмосферы и климатических процессов на Марсе. Они дают учёным возможность изучить, как различные факторы взаимосвязаны и влияют друг на друга в рамках марсианской экосистемы.

Кроме того, открытые результаты могут сподвигнуть на дальнейшую оптимизацию марсианских миссий. Знание о том, что пылевые бури в большей степени зависят от сезонных изменений в температуре и радиационном энергетическом балансе, может привести к более эффективному выбору времени и маршрутов для будущих исследований. Инициативы, такие как Mars Sample Return, смогут извлечь пользу из этих знаний, чтобы разработать стратегии по возвращению образцов, учитывающие потенциальные воздействия стихийных бедствий.

В целом, данное исследование является важным шагом к более глубокому пониманию климатических механизмов на других планетах. В то время как работа по разгадке марсианских тайн продолжается, полученные данные не только помогают ответить на существующие вопросы, но и ставят новые. Какие другие факторы могут оказывать влияние на климат на Красной планете? Как эти знания могут быть использованы для улучшения нашего понимания климатических процессов на Земле? На эти вопросы предстоит ответить будущим исследованиям и научным изысканиям, которые, возможно, откроют новые горизонты как для астрономии, так и для климатологии.