Почему вода на Марсе кипит и замерзает одновременно

Весь процесс занимает несколько минут.

Это обычная физика — просто в условиях, где атмосферное давление в 170 раз меньше земного.

600 паскалей — граница невозможного

На Земле атмосферное давление у поверхности — 101 325 паскалей. Эта сила давит на каждый квадратный сантиметр вашего тела, и вы её не замечаете, потому что привыкли. На Марсе среднее давление у поверхности — около 600 паскалей. Чтобы оказаться в таких условиях на Земле, нужно подняться на высоту около 50 километров — намного выше, чем летают пассажирские самолёты, глубоко в стратосферу.

Разница в 170 раз — это не просто цифра. Это граница, за которой вода начинает вести себя совершенно иначе.

У воды есть тройная точка — особое сочетание давления и температуры, при котором лёд, жидкость и пар могут существовать одновременно. Для воды эта точка — 611,657 паскаля при температуре 0,01°C.

Ниже этого давления устойчивая жидкая фаза невозможна: вода переходит прямо из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.

Среднее давление на Марсе — 600 паскалей. Тройная точка воды — 611 паскалей. Марс находится буквально в одном шаге от черты, за которой вода перестаёт быть жидкостью вообще. И этого крошечного шага планете не хватает.

Кипение у нуля: как это работает

На Земле вода закипает при 100°C. Но эта цифра верна только при земном давлении. На вершине Эвереста, где давление падает до 34 000 паскалей, вода кипит уже при 71°C — именно поэтому там невозможно нормально сварить яйцо. На Марсе давление примерно в 57 раз меньше, чем на Эвересте.

Физика здесь проста. Жидкость кипит, когда давление её паров сравнивается с давлением окружающей атмосферы. Чем меньше атмосферное давление — тем меньше энергии нужно молекулам, чтобы вырваться в газообразное состояние. На Марсе при давлении 600 паскалей вода закипает при температуре всего 0–10°C — практически у точки замерзания.

Это воспроизводят в лаборатории. Если поместить воду комнатной температуры в вакуумную камеру и снизить давление до марсианских значений, вода начинает бурно кипеть — хотя никто её не нагревал. Пузыри идут, пар поднимается.

Почему кипящая вода замерзает

Кипение — процесс эндотермический. Для испарения каждой молекулы воды нужна энергия: примерно 40,65 килоджоуля на моль. На Земле эту энергию поставляет плита. На Марсе никакой плиты нет, и вода берёт энергию из единственного доступного источника — из самой себя.

При испарении с поверхности жидкости уходят самые быстрые, самые «горячие» молекулы. Оставшиеся — медленнее и холоднее. Температура воды начинает падать. Это испарительное охлаждение: тот же принцип, по которому мокрая кожа холодит на ветру. Только на Марсе этот процесс идёт в десятки раз быстрее, потому что разреженная атмосфера почти не сопротивляется испарению.

Температура воды стремительно опускается ниже нуля. Оставшаяся жидкость начинает замерзать — прямо в тот момент, когда другая её часть ещё кипит. Несколько секунд длится картина, которую на Земле наблюдать невозможно: бурлящая вода под корочкой льда, пар и кристаллы одновременно.

В лабораторных экспериментах с вакуумными камерами, имитирующими Марс, термодатчики фиксируют падение температуры воды на десятки градусов буквально за секунды. Это не аномалия — это термодинамика в чистом виде.

Лёд, который не тает, а исчезает

Но и лёд на Марсе не задерживается. При давлении ниже тройной точки воды лёд не плавится — он сублимирует: переходит прямо в пар, минуя жидкое состояние. Это тот же процесс, из-за которого лёд в морозилке со временем уменьшается, а бельё сохнет при морозе на улице. Только на Марсе сублимация идёт несравнимо быстрее.

Итог: небольшое количество воды, вылитое на поверхность Марса, за несколько минут пройдёт полный цикл — закипит, частично замёрзнет, а потом и жидкость, и лёд испарятся в атмосферу. Ничего не останется. Средняя температура на поверхности планеты — около −65°C, в полярных районах зимой она опускается до −153°C.

Марс — одно из немногих мест с такими условиями на поверхности в Солнечной системе, где стакан воды может закипеть, замёрзнуть и бесследно исчезнуть за несколько минут.

Вода на Марсе — она есть

Всё вышесказанное не означает, что воды на Марсе нет вообще. Она есть — просто не там, где её легко увидеть.

Полярные шапки Марса содержат колоссальные запасы водяного льда. Только северная шапка — около 1,6 миллиона кубических километров льда, примерно треть от объёма ледника Гренландии. Под поверхностью планеты радарные зондирования орбитального аппарата Mars Reconnaissance Orbiter обнаружили в районе Утопия Планиция подземные залежи льда, сопоставимые по объёму с американским озером Верхним.

Самое неожиданное открытие сделал сейсмограф зонда InSight, работавшего на Марсе с 2018 по 2022 год. Анализ сейсмических данных указал на жидкие подземные резервуары на глубине от 11,5 до 20 километров. Если поднять всю эту воду на поверхность, она накроет планету слоем от одного до двух километров.

Марсоход Perseverance обнаружил в осадочных породах органические соединения и минеральные следы древнего водного взаимодействия — потенциальные признаки того, что когда-то здесь могла существовать микробная жизнь.

Логика проста: если на Марсе когда-то была жизнь, она выжила бы там, где вода остаётся жидкой — под поверхностью, где давление пород поднимается выше тройной точки.

Каким Марс был раньше

Около 3,7–4 миллиардов лет назад Марс выглядел совсем иначе. Речные долины, дельты, высохшие озёра и следы морского дна — геологические свидетельства прошлого убедительны. Планета имела плотную атмосферу и жидкую воду на поверхности. Возможно, давление было близко к земному.

Потом Марс лишился магнитного поля. Без него солнечный ветер начал методично выбивать молекулы из верхних слоёв атмосферы — по одной, миллиарды лет подряд. Атмосфера редела, давление падало, поверхностная вода испарялась. Ультрафиолет расщеплял молекулы воды в атмосфере на водород и кислород: водород улетал в космос, кислород оседал в породах — отсюда знаменитый ржавый цвет Марса.

Так планета с потенциально обитаемой поверхностью превратилась в сухую пустыню с атмосферой из углекислого газа — на 95% — и давлением, которому до критического порога воды не хватает всего 11 паскалей.

Стакан воды на Марсе закипит, замёрзнет и испарится за несколько минут. Но где-то на глубине двадцати километров — под чудовищным давлением пород — та же вода, вероятно, спокойно остаётся жидкой уже миллиарды лет.