В течении прошлого десятилетия космический аппарат Европейского космического агентства «Mars Express» проводил исследования структуры атмосферы Красной планеты. Среди его открытий – обнаружение трёх обособленных озоновых слоёв, каждому их которых присущи свои специфические особенности. Сравнение полученных «Mars Express» данных с компьютерными моделями объясняет, как глобальная циркуляция атмосферы планеты каждую марсианскую «зим у» создает озоновый слой над Южным полюсом Марса.
Озон является аллотропной модификацией кислорода, состоящей из трёхатомных молекул. На Земле озон является главным компонентом городского смога и чрезвычайно вреден для органов дыхания человека, но в более высоких слоях атмосферы, в частности в стратосфере, озон выполняет защитную функцию, ограждая Землю от вредного ультрафиолетового излучения.
Однако, молекулы озона чрезвычайно восприимчивы к воздействию ультрафиолетового излучения. Также озон разрушается при вступлении в химические реакции с водородными радикалами, высвобождающимися при фотолизе молекул воды. Роль загрязнения в разрушении «хорошего» озона находится в центре внимания учёных с середины 80-х годов ХХ столетия, когда над Антарктидой впервые была обнаружена озоновая дыра.
До начала 70-х годов учёные не могли дать однозначной ответ, существует ли озоновый слой на других планетах Солнечной системы? Так было до тех пор, пока учёные не обнаружили озон на Марсе, а позже межпланетный зонд «Venus Express», обнаружил модификацию кислорода и на Венере. На Марсе концентрация озона примерно в 300 раз меньше, нежели на Земле, к тому же варьируется в зависимости от местоположения и времени года.
В последние годы спектрометр SPICAM UV, установленный на борту «Mars Express», показывал наличие двух различных озоновых слоёв на низких и средних широтах. Один из них представлен постоянным поверхностным слоем, расположенным на высоте порядка 30 км от поверхности Красной планеты, а второй, высота которого колеблется от 30 км до 60 км, существует исключительно над Северным полушарием в течении весны и лета. Не так давно SPICAM представил доказательства существования третьего озонового слоя Марса, который появляется зимой над Южным полюсом на высоте 40-60 км.
В статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience, два учёных Franck Montmessin и Franck Lefèvre из LATMOS проанализировали порядка 3 тысяч вертикальных профилей озона, полученных SPICAM на ночной стороне Марса.
Данные, собранные в течении трёх марсианских лет (с 2004 по 2011), в последующем были сопоставлены с моделью мирового климата LMD, разработанной во Франции, которая вычисляет эволюции 16 видов газа, посредством всестороннего описания фотохимии Марса.
Когда SPICAM проводил наблюдения области, расположенной примерно в 75 южнее полюса, где была полярная ночь, прибор зафиксировал ранее неизвестный озоновый слой, расположенный на высоте 35-75 км, с пиком концентрации на 50-км высоте. Предполагается, что этот слой существовал над Южным полюсом исключительно на протяжении зимы. SPICAM обнаружил постепенное увеличение концентрации озона на высоте 50 км до середины зимы, после чего наблюдалось резное уменьшение количества озона в атмосфере.
Авторы статьи в Nature Geoscience полагают, что наблюдаемые полярные озоновые слои – это результат атмосферной циркуляции, которая характеризуется кислородной эмиссией.
Эта циркуляция имеет форму огромной ячейки Хэдли, в которой более теплые воздушные массы поднимаются и перемещаются по направлению к полюсу, прежде чем «остыть» и снизиться в более высокие широты.
Автор статьи Franck Montmessin объясняет, что кислородное атомы, произведённые фотолизом, и молекулы углекислого газа CО2 с наступление полярной ночи вступают в повторную реакцию, в результате которой собственно и образуется озон, концентрация которого зависит от темпов разрушения водородных радикалов.
Несмотря на детальные исследования Северного полюса Марса осенью и зимой, учёные так и не обнаружили доказательств существования озонового слоя.
Авторы полагают, что объяснение находится в сезонных изменениях температуры и концентрации водяного пара, обусловленных эллиптической орбитой Марса и большим осевым наклоном планеты.
Южное лето происходит вокруг перигелия, когда Марс более чем на 40 млн. км ближе к Солнцу, чем в течении северного лета. Следовательно, южное полушарие Красной планеты намного теплее, нежели северное. Разность температур сказывается на количестве водяного пара в атмосфере, так как тёплый воздух характеризуется большей влажностью, что в свою очередь сказывается на выработке озоноразрушающих радикалов молекул водорода. В течении прохладного северного лета водяной пар концентрируется на высоте ниже 15 км, который в последующем транспортируется на юг.
Так как молекулы радикалов водорода образуются в результате фотолиза водяного пара выше 25 км, лишь немногие достигают юга. Таким образом любой озон, формирующийся в южных широтах марсианской зимой, становится практически неуязвимым.
Условия южного лета кардинально отличаются. Так как Марс находится близко к перигелию верхние слои атмосферы становятся тёплыми и вся влага концентрируется на высоте порядка 40 км. В результате чего озоновый слой над Северным полюсам с наступлением марсианской зимы разрушается примерно в 100 раз быстрее нежели на Южным полюсом.
