Соляную кислоту на Марсе можно найти в «ледяных дырках»

Хлороводород HCl, или соляная кислота, был обнаружен в атмосфере Марса совсем недавно — в 2020 г. с помощью российского спектрометрического комплекса ACS на борту космического аппарата TGO миссии «ЭкзоМарс-2016». Это открытие дважды удивило планетных исследователей. Прежде всего, молекул хлороводорода оказалось достаточно много — до 5 частиц на миллиард в единице объема (parts per billion in volume, ppbv). Для углекислой и очень разреженной атмосферы Марса это значительное число. Но это содержание не постоянно — концентрация HCl очень резко и быстро меняется. Буквально через несколько дней ACS уже не регистрировал это вещество, а значит, что его концентрация не превышала 0,1 ppbv. Такие резкие скачки плохо соотносятся с простыми представлениями о химии марсианской атмосферы, согласно которым молекулы HCl должны сохраняться в ней порядка нескольких месяцев. Поэтому перед исследователями встал вопрос: что может эффективно разрушать хлороводород. В качестве возможного механизма был предложен обыкновенный водяной лед. Известно, что на Земле именно кристаллики водяного льда хорошо поглощают молекулы хлороводорода в стратосфере. Если это так, то содержание водяного льда (но не водяного пара) должно соответствовать содержанию хлороводорода с обратным знаком: чем больше одного, тем меньше другого. Чтобы проверить это предположение, Михаил Лугинин, Александр Трохимовский и их коллеги — сотрудники отдела физики планет ИКИ РАН и других научных организаций — использовали данные, полученные двумя спектрометрами комплекса ACS за два с половиной марсианских года, со второй половины 34 до конца 36. По земному счету — с конца мая 2018 по конец июля 2022 гг. Содержание хлороводорода на протяжении этих лет менялось по примерно одинаковому сценарию. Во время наибольшего приближения планеты к Солнцу, когда в Южном полушарии Марса наступали весна и лето, его концентрация в атмосфере в этой части планеты росла до примерно 5,5 ppbv. В процессе общей циркуляции воздушные массы, обогащенные хлороводородом, перемещались в более холодное «зимнее» Северное полушарие, где его концентрация падала в несколько раз. Минимальные значения она принимала как раз на небольших высотах, что вполне соответствует предположению о том, что по мере образования частиц водяного льда они поглощали молекулы хлороводорода. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи одновременно измерили содержание хлородоводорода и водяного льда в атмосфере на разных высотах (ACS может выполнять такие тонкие наблюдения благодаря режиму т.н. солнечных затмений). Им удалось обнаружить искомую структуру — в ряде случаев четко просматривалась антикорреляция между содержанием молекул HCl и частицами водяного льда. Иными словами, в атмосфере Марса можно наблюдать слои, где много частиц водяного льда (фактически, облаков из водяного льда), и в этих слоях очень мало или вообще нет молекул хлороводорода. В то же время в слоях, где концентрация хлороводорода максимальна, также максимума достигает и концентрация водяного пара. Этому есть простое объяснение: на высотах, где из водяного пара образуется лед, происходит поглощение молекул хлороводорода, и наблюдаются минимумы содержания газов H₂O и HCl. На тех же высотах, где льда нет, наблюдаются их максимумы. В статье, опубликованной по результатам работы в журнале Icarus, такие «слоистые» структуры «лед — хлороводород — лед» были названы «ледяными дырками» (ice holes), по аналогии с озоновыми дырами.