КАРТА САЙТА

Сказки о Марсе, Земле и Жизни

“Воображение – больше, чем знание”

Альберт Эйнштейн

Удивительный Марс, такой далекий и близкий

Прошло уже более 30 лет с начала изучения поверхности Марса по данным спутниковых фотосъемок космическими аппаратами. В 1979 г. был издан Атлас Марса в масштабе 1:5000000 [Atlas…, 1979]. Для удобного ориентирования поверхность планеты была поделена на 30 квадрантов (“Mars Charts”) каждому из которых присвоен номер (от MC-1 до MC-30). Экваториальные участки планеты изображены в проекции Меркатора, средние широты – в усеченной конической Ламберта, полярные – в стереографических для полярных областей.

В 1999 г. космическим аппаратом Марсианская Орбитальная Камера (МОК) были получены новые широкоугольные стереоснимки всей поверхности Марса в инфракрасном диапазоне. В Планетарной базе данных НАСА (Planetary Data System, NASA) имеется свободный доступ к электронной базе данных фотоснимков с разрешением 230 м/пиксель на всю территорию Марса [Mars…, 2002]. Из полученных снимков с помощью специального картографического программного обеспечения смонтированы планшеты, кодировка (номенклатура) которых соответствует первоначальному делению поверхности Марса на 30 квадрантов. На отдельные наиболее интересные участки поверхности Марса доступны стереоснимки в видимом и инфракрасном диапазонах с весьма высоким разрешением (до 1 м). В настоящее время оптимистически настроенная научная и другая общественность с огромным любопытством ждет новых вещественных аналитических данных от автоматических аппаратов, успешно достигших поверхности планеты в начале 2004 г. и передавших изображения марсианских пейзажей, первые сведения о минеральном составе горных пород на месте посадки.

Даже первые снимки поверхности Марса, сделанные с низким разрешением, поставили перед исследователями массу фундаментальных вопросов не только относительно истории самой планеты, но и происхождения Солнечной системы, условий возникновения жизни, характера развития процессов формирования коры планет, рельефа, эндогенных и экзогенных процессов и др. В настоящее время геоморфология Марса (марсоморфология, ареоморфология (?)) из всех “марсологических” наук наиболее обеспечена фактическим материалом. Что касается теоретической основы, то на время позаимствуем для юной марсологии базовые теоремы, аксиомы и определения у земной геологии, изрядно повзрослевшей за последние 200-300 лет.

В настоящее время мы точно знаем, что на Марсе существует относительно большое генетическое и возрастное разнообразие форм рельефа, подтверждающее длительный период формирования планеты. Имеются некоторые образования, генезис которых не поддается пока сколько-нибудь убедительному истолкованию. Многие формы, а также процессы их создавшие не известны в настоящее время на Земле, но, возможно, существовали в ее далеком прошлом на ранних этапах эволюции. Анализ некоторых пород архейского и протерозойского возраста, свидетельствует о господствовавших некогда на Земле условий осадконакопления, совершенно непохожих на современные и обусловленных качественно и количественно иным составом атмосферы и гидросферы, миграционной и концентрационной способности элементов. Загадочными образованиями, например, являются протерозойские ледниковые отложения, золотоносные конгломераты южной Африки, образовавшиеся в дельте огромной древней реки, химический состав воды которой представлял собой весьма концентрированную щелочь. Конечно же, самой крупной геологической “загадкой” Земли является происхождение гранитного слоя и континентальной коры. В.И.Вернадский, смеясь над этой геологической головоломкой, образно назвал граниты “былыми биосферами”. И тем самым поставил в разрешении вопроса свою жирную и до сих пор нестираемую точку. Действительно, граниты – это редкая в солнечной системе порода, образовавшаяся в результате глубокой дифференциации протопланетного вещества (исходных хондритов) в планетарном поле тяготения и сильнейшего его окисления в кислородной атмосфере. Причем для образования гранитов необходима длительная цикличность геодинамических процессов – выветривание, транспортировка, отложение, погружение на глубину, метаморфизм и плавление. На каждом из этапов, и особенно при выветривании, транспортировке и отложении, в определенных термодинамических условиях атмосферы и гидросферы может происходить очередной этап дифференциации, в ходе которой даже редкие и рассеянные элементы образуют в коре значительные скопления в виде месторождений. Наиболее распространенные – образуют мономинеральные залежи, состоящие их окислов и гидроокислов.

Для протекания устойчивых геодинамических циклов необходима саморегулирующаяся планетарная энергетическая (термодинамическая) система, чтобы планета не перегрелась, либо совсем не остыла и “не замерзла”. Поэтому если на Марсе обнаружат структурно-вещественные свидетельства былой геодинамической цикличности, и продукты глубокой дифференциации протопланетного вещества подобные земным гранитоидам, то это будет также самым весомым аргументом, свидетельствующем о его былой биосфере. Но пока весь внешний облик Марса и большая часть поступающих новых данных указывают, что многоклеточная жизнь подобная Земной там была невозможна, по крайней мере, последние 2-3 млрд лет. Тем не менее, цианобактерии - повсеместно распространенные в настоящее время на Земле микроорганизмы и безраздельно царствовавшие на нашей ïланете первые 3 из 5,5 миллиардов лет ее существования, могли бы выжить и в современных условиях Марса.

Кроме “поисков” следов марсианской жизни, у юной марсологии есть еще масса других не менее важных планетарных проблем. Неизвестны причины столь существенного возрастного и морфологического различия (асимметрии) рельефа северного и южного, а также западного и восточного полушарий; каким образом и в каких условиях была сформирована стратифицированная кора Марса; почему и когда на Марсе сформировались речные долины, и, в связи с чем, реки прекратили свою деятельность; наконец, почему и когда образовалась относительно молодая рифтообразная структура гигантских размеров, придавшая в конце “неотектонического” этапа облику “омертвевшей” планеты еще большую асимметричность (рис. 1). В настоящей статье мы хотим вместе с любопытными читателями полюбоваться экзотическими ландшафтами Марса с очень близкого расстояния и попытаться сделать самостоятельные выводы хотя бы относительно части затронутых вопросов, опираясь на доступные нам эмпирические сведения о красной планете. Рис. 1. Восточное полушарие Марса с теоретического расстояния в 2000 км, синтезированное из отснятых в 1980 г. фотоснимков аппарата Вигинг-1. В центральной части изображения видна самая крупная марсианская эрозионно-тектоническая мегаструктура – Большой Каньон.

Марсианский Большой Каньон

Марсианский “Большой каньон” или “Долины Маринеров”, названные по имени сфотографировавшего их в 1972 г. космического аппарата Маринер (Mariner), представляет собой систему взаимосвязанных эрозионно-тектонических каньонов, глубоких эрозионных котловин, цепочек узких шахтообразных и карьерообразных углублений и других отрицательных элементов, рассекающих поверхность западного полушария планеты в приэкваториальной области на протяжении около 4000 км. Вся система ориентирована в запад-северо-западном направлении и связана, вероятно, с крупнейшей разрывной марсианской мегаструктурой, внешне напоминающей земной континентальный рифт, но имеющий более грандиозные размеры. Глубина расчленения поверхности планеты в каньоне достигает нескольких километров. В его отвесных стенках и на склонах денудационных гор вскрываются отпрепарированные слоистые толщи горных пород.

Большой Каньон состоит из различных сегментов. Отдельные наиболее изученные и отснятые с высоким разрешением его участки получили собственные названия.

Каньон в Южном Мелассе Одним из фундаментальных открытий марсианской геологии (марсологии) является обнаружение слоистой коры планеты осадочно-вулканогенного происхождения. Первым подтверждением этому является разрез многоярусной стратифицированной толщи, вскрывающийся на большом протяжении в стенке “канала” долины Маринеров. На снимках того же района сделанных аппаратом МОК в 1999 г. в стенках каньона в (район Южный Меласс) вскрываются десятки идеально выдержанных по простиранию слоев в метры и десятки метров толщиной. Видимая мощность разреза соответствует глубине каньона и составляет не менее 3-4 км (рис. 2). Весь облик рельефа марсианских каньонов говорит об их молодости по сравнению с окружающими формами и современной активности формирующих их экзогенных процессов. В основаниях стенок формируются аккумулятивные обвальные и осыпные конусы, которые потом преобразуются в слабонакнонные, причлененные узкие террасы. Осыпные конусы сильно напоминают земные. Они имеют весьма крупные размеры до 500-700 м в длину и 200-300 м в ширину. Вершины конусов примыкают к, почти что земным, узким кулуарам, протяженностью в несколько сот метров. Днище каньона темное, сложено с поверхности продуктами разрушения и покрыто частыми субпараллельными гребнями и бороздами. С первого взгляда оно напоминает высохшее русло мощного потока. Днище плоское и практически горизонтальное, его поверхность образована рыхлыми осадками, образующими гигантскую эоловую рябь с размерами волн более 10 м. Темный фототон, идеальная ориентировка ряби и “просвечивание” местами коренных пород создают иллюзию морского волнения в мелководной бухте. Судя по форме отдельных выходов коренных литифицированных пород, вероятно близких по физическим свойствам к тем, что вскрываются в стенке каньона, плоская поверхность днища каньона обусловлена структурно – это кровля нижележащего горизонтального пласта подстилающего осадки, вскрытые в борту каньона. Очевидно, что мощность рыхлых осадков на дне невелика и не превышает 20-30 м. По сути, это цокольное днище, прикрытое местами небольшим плащом марсианского песка, и сам каньон ничем практически не заполнен. Но куда же тогда девается весь материал, интенсивно поступающий со склонов, если глубина каньона ограничена, а количество аккумулированных осадков на нем совсем не велико? Вывод очевиден – все осадки из каньона регулярно выносятся какими-то мощными процессами. Рис. 2. Освещение справа-снизу – налево-вверх. Ширина снимка 3км, длина 8,2км. Координаты 10,1о ю.ш., 74,4о з.д. Отснято 11 июля 1999г. Север - по отношению к более низкому левому краю [NASA/JPL/Malia Space Sciense Systems].

Многие исследователи полагали, что марсианские каньоны некогда были заполнены водой, и она являлась важным агентом денудационных, транспортирующих и седиментационных процессов на планете; и что именно в водных условиях отложились стратифицированные многокилометровые толщи осадков, вскрывающихся в стенках марсианских каньонов. Большая часть этих гипотез основана на первых мелкомасштабных снимках Марса с низким разрешением. Все что касается современных эрозионных процессов на стенках каньонов, да и на всей поверхности Марса – они происходят без участия жидкой воды, поскольку вследствие очень низкого атмосферного и, соответственно, давления водяного пара, эта фаза существовать в современных марсианских условиях не может. По всей вероятности вся система Марсианских каньонов – это наиболее молодая, можно сказать “неотектоническая” структура, наложенная или секущая более древние марсианские геологические и геоморфологические образования. Это подтверждается также небольшим количеством метеоритных кратеров внутри самого каньона, несмотря на его большую площадь. Поверхность древнего пенеплена с полуразрушенными речными долинами, в которую местами прорезает Большой Каньон, местами просто утыкана кратерами разных размеров. Кроме того, даже если бы вода когда-нибудь могла заполнять каньон, то никакого течения там бы не происходило, поскольку сам каньон и особенно его наиболее узкие места являются и самыми низкими гипсометрическими отметками, т.е. конечными бассейнами аккумуляции. Но эти конечные бассейны в настоящее время совершенно пусты. Поэтому водный фактор в формировании каньонов и транспортировке их отложений в места аккумуляции отпадает.

В гипергенной зоне Марса имеется еще один наиболее широко распространенный и, очевидно, господствующий в настоящее время фактор денудации, аккумуляции и рельефообразования, способный осуществлять горизонтальные и вертикальные перемещения больших масс продуктов выветривания. Это ветер. Причем ветровые потоки на весьма значительном протяжении могут быть восходящими, т.е. не только раздувать материал по горизонтальной плоскости, но и выдувать глубокие отрицательные формы рельефа. То, что на Марсе часто бушуют грандиозные пылевые бури, было обнаружено давно по данные телескопических наблюдений с Земли. Видимое изображение Марса часто и сильно меняло окраску, появлялись красноватые пятна и разводы. Ввиду сильных и, видимо, циклических сезонно повторяющихся пылевых бурь огромные массы продуктов выветривания перемещаются по поверхности планеты на большие расстояния. Ветер и несомые им частицы – наиболее распространенные на Марсе в настоящую его геологическую эпоху агенты денудации и отложения вещества. Вследствие этого основную часть поверхности планеты занимают эоловые абразионные и аккумулятивные формы и формации. С точки зрения земной геоморфологии Марс это почти сплошная, но весьма разнообразная пустыня, местами песчано-суглинистая, местами каменистая и горная. Исключение составляют полярные области, покрытые шапками льда и снега, которые опять же в географической классификации можно именовать арктическими и антарктическими пустынями. Но вернемся к проблеме Большого марсианского Каньона.

Как показало тщательное изучение снимков, обломочный материал по большому счету в наиболее расчлененных участках каньона отсутствует, в то время как в его апофизах и расширяющихся фестонах мощность рыхлых осадков на дне увеличивается. Если проследить за морфологией метеоритных кратеров на поверхности Марса от экватора к северному полюсу, то можно обнаружить, что четкость их кольцевых валов (бровок кальдер) в умеренных областях намного хуже. Многие мелкие кратеры едва просвечивают через слой относительно “свежей пыли и песка”. Можно также увидеть, что ледово-снежные покровы марсианской Арктики в перигляциальной области покрыты пылевыми наносами, морфология которых отчетливо проявляет структуру сложной многолучевой спирали, закрученной по часовой стрелке, с центром непосредственно в пределах ее географического полюса (рис. 3).   Рис. 3. Северная полярная шапка Марса летом [Электронный Атлас Марса]. Темные приполярные области, вероятно, недавно освободились от снежного покрова, либо он частично занесен пылью. Характерной особенностью обеих полярных шапок Марса является многолопастная спиралевидная структура покровов, согласная с направлением вращения планеты (как и у Земли по часовой стрелке относительно северного полюса) В одном градусе широты 59,2 км. Параллели проведены через 5 градусов (295,9 км).

Спиралевидные полярные структуры Марса, образованы наслоениями льда, снега и пыли и связаны с его ритмическими атмосферными циркуляциями. По-видимому, гигантские пылевые бури, зарождающиеся в экваториальных областях, приносят и отлагают эти наносы. Марсианские бури - явления периодические (ритмические) и связаны с мощными воздушными течениями, скорость и направление движения которых, как и на Земле, определяется барическими минимумами и максимумами низких и высоких широт, а также вращением планеты. Общую схему атмосферной циркуляции Марса можно представить следующим образом. Более прогретый (до +25° С) в приповерхностном слое экваториальных областей воздух поднимается вверх и на некоторой высоте растекается в северном и южном направлениях. В полярных областях, особенно в многомесячную зимнюю ночь воздух, переохлажденный (ниже –100-125° С) испытывает нисходящее движение, заполняет понижения рельефа и в конечном счете растекается в сторону экватора, где холодный воздух вытесняет уже прогретый более теплый. Вследствие вращения планеты, приповерхностные воздушные потоки, растекаясь от полюсов к экватору, испытывают закручивание по ходу вращения планеты против часовой стрелки. Скорость вращения поверхности Марса в экваториальной зоне составляет около 250 м/c.

Движение высокоскоростных воздушных потоков в марсианской системе каньонов может происходить и за счет местных условий. Как показала фотосъемка в инфракрасном диапазоне, внутри каньона и на поверхности окружающих его равнин формируются резкие дневные и ночные термодинамические градиенты, связанные с неравномерным прогреванием и скоростью охлаждения. Эти градиенты должны создавать мощные воздушные потоки, концентрирующиеся в системе каньонов, природа которых напоминает земные бризы. Движение ветра в каньоне как в русле воздушной реки ограничено только двумя направлениями. Ориентировка гребней гигантской ряби, видимой на снимке, как раз перпендикулярна этим двум возможным направлениям (рис. 2). Какова должна быть сила ветра, двигающего поступающий с обрывов и склонов рыхлый обломочный материал, зависит от размеров, веса и формы обломков. Насколько часто они там происходят пока неизвестно, но что главным агентом формирования и поддержания свежести стенок марсианских каналов (каньонов) является ветер – несомненно. Наиболее вероятно, что сезонность эоловых явлений в Большом Каньоне связана с регулярной повторяемостью мощных воздушных потоков, что свидетельствует о наличии на планете сезонных явлений, определяющихся, в свою очередь, и почти что земным наклоном оси (25,06° ) и другими “орбитальными асимметриями”. О том, что даже в относительно “спокойную погоду” в марсианских каньонах “дует ветерок”, свидетельствует маленький яркий циклический смерч диаметром добрую сотню метров, видимый в юго-западном углу снимка (см. рис. 2).

Каньон Откровенности

Не менее информативным отснятым с высоким разрешением участком, представляющим сочетание различных морфогенетических и разновозрастных структур Марса, является эрозионный склон каньона Откровенности и примыкающий к нему с севера и северо-запада фрагмент регионального пенеплена – древней поверхности экзогенного выравнивания с хорошо сохранившимися элементами речной сети (рис. 4). Видимая в нижней правой части снимка слоистая стратифицированная толща представляет собой чередование горизонтальных пластов (более 100 шт.) примерно одинаковой мощности (10 м). Каждый пласт имеет весьма ровную поверхность и весьма твердый, чтобы при поперечно эрозионном расчленении сохранять крутую стенку.

Вскрываемые в каньоне Откровенности, Южном Мелассе и других районах мощные стратифицированные толщи, в научной литературе трактовались по разному. Многие исследователи до получения новых снимков с высоким разрешением полагали, что это не эрозионная слоистость, считали осадочные или вулканогенно-осадочные образования относительно молодыми, и накопившимися в некогда в заполненных водой глубоких марсианских озерах тектонического происхождения. В течение всего 20 в. множество самых разных гипотез “крутилось” около “проблемы наличия на Марсе следов жизни”, которую непременно связывали с водой и пытались везде обнаружить следы ее недавнего пребывания. Несомненно, что вскрываемые Большим Каньоном верхние слои марсианской коры, независимо от их водного или не водного происхождения, являются очень древними образованиями, возраст которых насчитывает миллиарды лет. Обнаружение на Марсе мощных стратифицированных геологических тел указывает, прежде всего, на сложную и продолжительную историю развития планеты. Повторяющиеся циклы осадков свидетельствуют, что некогда здесь существовали природные ритмы, меняющиеся и устойчиво повторяющиеся условия среды, которые могли привести к развитию сложной саморегулирующейся термодинамической системы. Аналогичные колебательные ритмы характерны для земных образований и повсеместно запечатлены в ее геологической истории. Ритмичность процессов осадконакопления на Земле связана, прежде всего, с динамикой водного фактора, поэтому вполне вероятно этот же фактор определял ритмические процессы осадконакопления на Марсе. Обратимся теперь к верхней части снимка на рис. 4. Здесь мы видим фрагмент обширной слабо расчлененной холмистой равнины, которую собственно и рассекает каньон. Рельеф поверхности очень характерен для крупных земных пенепленов и, особенно, для равнинных участков древних платформ. Мягкие очертания сформированных долин, перистый, либо ветвистый рисунок гидросети, равновесные выработанные профили водотоков. Именно такой облик имеет древний марсианский пенеплен, за исключением, того, что все это более древнее, чем на Земле. Некоторые участки рек сильно завуалированы слоем молодых эоловых отложений, начавших формироваться уже после прекращения речной деятельности, и, вероятно коррелятных эрозионному рельефу большого Каньона. Рис.4. Фрагмент крутого эрозионного участка Каньона Откровенности (Candor Chasma), отснятый в 1999 г. аппаратом MOК (снимок M17-00467). В нижней части и правой части снимка (светлый полосчатый фототон) вскрывается слоистая толща пород видимой мощностью 4-5 км. В верхней и левой частях снимка (темный фототон) видны очертания древней поверхности выравнивания. Речные долины и ветвистые сухие русла местами засыпаны более молодыми по отношению к ним, эоловыми осадкам.

Еще раз к Началу

Фундаментальной проблемой в планетологии является выявление этапов развития поверхности планет во времени. Планетарные изменения могут быть вызваны периодами вулканической активизации, крупнейшими сейсмотектоническими явлениями и метеоритными бомбардировками. Последнее явление наиболее широко распространено в солнечной системе, и нередко приводит к серьезным непоследовательным изменениям в дальнейшем развитии планет. Как правило, такие изменения не носят эволюционного характера. Считается, что Земля в позднем мелу (65-70 млн. л.н.) столкнулась с крупным астероидом, что привело к полному разрушению сложных мезозойских экосистем, вымиранию более 90% видов наземных животных. К счастью генетическое разнообразие (потенциал) земной биосферы было уже настолько велико, что генофонда оставшихся 10% видов было достаточно для стремительной реконструкции новой высокоразвитой планетарной экосистемы.

В свете одной из теорий эволюции солнечной системы, процесс планетообразования состоит в том, что они возникли путем аккреции и вначале представляли собой плохо консолидированные, холодные небольшие тела. Эти зачатки планет (протозимали) продолжали получать метеоритное вещество, однако благодаря непрерывно увеличивавшейся неэквивалентности масс планеты и падающих на нее метеоритов, их взаимодействия происходили с все большим выделением тепловой энергии. С увеличением массы росло и гравитационное поле планет, соответственно, увеличивалась область захвата разновеликих метеоритов, гуляющих как по собственным, так и по планетарным орбитам. Через определенный интервал времени, зависящий, вероятно, от первоначальной массы протозимали, падающие метеориты сильно увеличили массы и разогрели поверхности планет. Новые удары локально подогревали поверхность настолько, что созданные ими особенно мелкие кальдеры стали тут же оплывать. Удары особенно крупных метеоритов часто дестабилизировали орбиты планет, сообщая им разнонаправленные моменты движения. Поэтому орбиты планет, их периоды вращения и обращения были крайне неустойчивыми. Вероятно, имели место случаи весьма близкого схождения некоторых планет и взаимодействия их гравитационных полей. В настоящее время эти катаклизмы запечатлены в кольцах Сатурна, обширном поясе астероидов между Марсом и Юпитером, в изредка падающих на Землю метеоритах ахондритового типа, состав которых и возраст однозначно указывают, что это обломки планетного вещества.

В результате усиленной метеоритной бомбардировки поверхностная температура некоторых планет поднялась настолько, что все метеоритные кальдеры на них разрушились, накопленное в верхнем слое метеоритное вещество расплавилось и гомогенизировалось. Через некоторое время, тянувшееся более миллиарда лет, основная часть пространства солнечной системы в значительной степени была “вычищена” от метеоритного вещества. Орбиты ее элементов стали более стабильными. По мере истощения метеоритного “дождя” поверхности планет остыли и кристаллизовались, образовав первый планетарный коровый слой. Вещественный состав первичной коры (преимущественно базальты), поскольку он формировался в условиях поля тяжести и давления первичной атмосферы (газообразных продуктов испарения части расплава), принципиально отличался от состава акреционных метеоритов “первого поколения” - хондритов. Эта группа метеоритов и аналогичных по составу более крупных астероидов наиболее распространена в солнечной системе и является остатками первичного протопланетного облака, из которого сформировались потом планеты. Исследования непрерывно падающих на Землю хондритов показали, что они в основном состоят из крепко слипшихся (приварившихся) более-менее округлых шариков (хондр) никелистого железа и примеси силикатных минералов и окислов. Именно эти шарики и включенные в них мелкие минералы являются самыми древними в солнечной системе кристаллическими телами, застывшими в невесомости. Слипание и сваривание шариков в более крупные тела происходило в ходе столкновений при воздействии гамма и рентгентовского излучения (солнечного и звездного “ветра”). Изотопный состав редких газовых включений хондр указывают на сходство с солнечной атмосферой, что собственно и свидетельствует о солнечном происхождении вещества метеоритов хондритового типа. Древность и близкий возраст всех хондритов ( в среднем 4,5 млрд лет) подтверждают господствующую парадигму об образовании планет из газово-пылевого облака – отработанных и выброшенных на орбиту продуктов горения Солнца. Предполагают, что этот взрыв произошел 5-6 млрд. лет назад.

Читать далее

Алексей Галанин, СВКНИИ ДВО РАН (Магадан, ул. Портовая, 10)