Дихотомия Марса — почему полушария Красной планеты так сильно отличаются? Разбираем особенности марсианского рельефа

Если взглянуть на Марс, сразу бросается в глаза его «двойственность». Южное полушарие планеты — это древние, изрытые кратерами нагорья, которым несколько миллиардов лет. Северное же полушарие — это относительно молодые, гладкие низменности.

Возраст этих регионов удалось определить благодаря методам, схожим с теми, что использовались для датировки лунного грунта, привезённого миссиями Аполлон и советскими станциями. Чем старше поверхность, тем больше на ней кратеров, оставленных астероидами. На Марсе это особенно заметно: слабая атмосфера планеты, примерно в 100 раз менее плотная, чем земная, пропускает крупные и средние астероиды, оставляя следы их разрушительной силы.

Сейсмические данные и радиолокационные методы показали, что кора южного полушария Марса имеет толщину около 50-90 км, тогда как в северном — 20-45 км. Более того, в северных низменностях обнаружены залежи воды, что делает эту часть планеты ещё более загадочной. Как возникла такая разница? Ответ может крыться в далёком прошлом Марса, связанном с грандиозным космическим событием.

Столкновение, изменившее планету

Учёные предполагают, что дихотомия Марса — результат мощного удара, или импакта, который произошёл миллиарды лет назад. Похожая история случилась и с Землёй. Согласно гипотезе, около 4,5 миллиарда лет назад наша планета столкнулась с крупным небесным телом размером с Марс (протопланетой Тейя), возможно, сформировавшимся в той же орбитальной зоне. Столкновение расплавило значительную часть мантии и коры, а выброшенные обломки со временем сформировали Луну.

На Марсе, вероятно, также произошло нечто подобное. Удар гигантского объекта мог содрать часть коры с северного полушария, тем самым сделав её тоньше и создав обширные низменности. Это объясняет не только различия в толщине коры, но и меньшее количество кратеров в северной части — она попросту моложе, так как была переформирована после удара. Однако это не единственная гипотеза: недавние исследования предполагают, что дихотомия могла возникнуть из-за конвекции в мантии планеты.

Интересно и то, что дихотомия Марса чем-то напоминает структуру Земли. У нас тоже есть континентальные плиты с толстой корой и более тонкая океаническая кора. Это наводит на мысль, что процессы формирования планет в нашей Солнечной системе имеют некие общие черты. Однако Луна, образовавшаяся после столкновения Земли с крупным телом, уникальна: её масса относительно Земли больше, чем у большинства спутников других планет, а орбита имеет необычный наклон к земному экватору. Возможно, Марс пережил схожую катастрофу, но без формирования крупного спутника.

Разные полушария — разные природные условия

Марс — планета экстремальных условий. Средняя температура на поверхности составляет около -63 °C, с минимумами до -140 °C в полярных регионах зимой. Атмосфера, состоящая на 95,3% из углекислого газа, чрезвычайно тонкая: давление варьируется от 4 до 9 гПа, что составляет менее 1% от земного (1013 гПа). Это делает дыхание без оборудования невозможным, а прогулку без скафандра — смертельно опасной из-за риска декомпрессии.

Еще одна угроза — радиация. У Марса нет глобального магнитного поля, которое на Земле частично защищает от солнечного ветра и космических лучей. Основную защиту Земли обеспечивает плотная атмосфера, эквивалентная ~10 метрам воды. На Марсе же атмосфера обеспечивает защиту, эквивалентную лишь ~16 г/см² (~16 см воды), что делает поверхность уязвимой для высокоэнергетических частиц, создавая значительный риск для жизни.

Почему у Марса нет магнитного поля? На Земле оно создается динамо-эффектом — движением расплавленного железа в жидком внешнем ядре, генерирующим электрические токи. У Марса этот процесс, вероятно, прекратился около 4 миллиардов лет назад, когда ядро остыло. Остаточная намагниченность в коре, обнаруженная миссией Mars Global Surveyor, подтверждает, что динамо когда-то существовало.

Венера, схожая с Землей по размеру, также лишена глобального магнитного поля, возможно, из-за медленного вращения (243 земных дня) или недостаточной конвекции в ядре. Гипотеза о столкновении, сформировавшем Луну и повлиявшем на мантию Земли, остается спорной, так как прямых доказательств ее влияния на магнитное поле нет.

Северное полушарие Марса — это обширные низменности, такие как Великая Северная равнина, лежащая на 2-4 км ниже среднего уровня планеты. Эта гладкая поверхность с меньшим количеством кратеров выглядит молодой — ее возраст оценивается в 3-3,5 миллиарда лет. Ученые предполагают, что равнины могли быть дном древнего океана, сформированы потоками лавы или возникли из-за гигантского импакта, создавшего Borealis Basin. Южное полушарие, напротив, представляет собой высокогорья, усеянные кратерами, включая огромную Равнину Эллада глубиной около 7 км. Высоты здесь достигают 2-5 км выше среднего уровня, а поверхность, возрастом 3,8-4 миллиарда лет, хранит следы интенсивной метеоритной бомбардировки. В южной коре, по данным Mars Global Surveyor, сохраняется остаточная намагниченность — свидетельство древнего магнитного поля, исчезнувшего около 4 миллиардов лет назад.

Благодаря низменному рельефу северное полушарие в среднем теплее. Летом в экваториальных зонах дневные температуры могут достигать +20 °C, но ночью падают до -80 °C. Более высокое атмосферное давление (до 9 мбар) смягчает суточные колебания. Южное полушарие холоднее из-за высоты: в высокогорьях ночные температуры опускаются до -100 °C, а даже в глубоком бассейне Равнины Эллада теплее лишь незначительно. Полярные шапки усиливают контраст: северная (Planum Boreum) состоит преимущественно из водяного льда с тонким слоем CO₂ зимой, тогда как южная (Planum Australe) богаче углекислым газом, который полностью сублимирует летом, вызывая сезонные скачки давления по всей планете.

Тонкая атмосфера Марса, состоящая на 95% из CO₂, ведет себя по-разному в полушариях. В северных низменностях давление выше (6-9 мбар), что способствует утренним туманам и накоплению пыли. В южных высокогорьях атмосфера разреженная (4-6 мбар), а сильные ветры, усиленные перепадами высот, поднимают пыль, особенно у Равнины Эллада, где зарождаются вихри. Пылевые бури чаще начинаются в южном полушарии, особенно во время перигелия (южного лета), когда Марс ближе к Солнцу, что усиливает нагрев и ветровую активность. Сильные песчаные бури, как в 2018 или 2022 годах, могут охватить всю планету, но локальные бури в северном полушарии, переживающем лето в афелии, обычно слабее.

Северное полушарие богато водяным льдом: под поверхностью, по данным радаров SHARAD на Mars Reconnaissance Orbiter, скрываются обширные залежи, а полярная шапка Planum Boreum содержит около 1,6 миллиона км³ льда с толщиной до 2 км. Южное полушарие менее щедро на подповерхностный лед, но его полярная шапка Planum Australe включает больше CO₂. Однако в южных высокогорьях, таких как кратер Гейла, где работает марсоход Curiosity, найдены следы древних рек и озер, указывающие на влажное прошлое Марса.

Эллиптическая орбита Марса делает южное лето теплее и более бурным, а северное — мягче. Геологическая асимметрия — низменности севера против высокогорьев юга — усиливает контрасты в давлении, ветрах и накоплении льда. Отсутствие глобального магнитного поля одинаково влияет на оба полушария, но остаточная намагниченность южной коры напоминает о временах, когда Марс был ближе к Земле по условиям. Северное полушарие Марса — теплые, стабильные равнины с обилием водяного льда, тогда как южное — холодные, кратерированные высокогорья, где рождаются пылевые бури и сохраняются следы древней воды.