В одной из моих летних статей «Последнее лето Марса» я останавливался на том, как, согласно современным представлениям, выглядит геологическая история Красной Планеты. В настоящее время Марс хорошо картирован, известны детали его рельефа, и косвенные данные позволяют предположить, что около 2 миллиардов лет назад на Марсе существовало достаточно высокое атмосферное давление, при котором северная часть планеты могла быть покрыта обширным сравнительно мелководным океаном. В научной литературе фигурирует термин «Oceanus Borealis» (Северный Океан), однако точные границы этого гипотетического водоёма и его южных окраинных морей пока очертить затруднительно. Но изучение следов бывшего океана, а также специфических осадочных отложений может сыграть ключевую роль при поисках подземной воды на Марсе в период его будущей колонизации, поэтому гипотеза о северном океане активно изучается с конца прошлого века. Пока эти исследования сводятся к компьютерному моделированию, и один из неожиданных выводов заключается в том, что циклопический Олимп (высочайшая гора в Солнечной системе) когда-то мог представлять собой вулканический остров, увенчанный щитовым вулканом. Потухшие щитовые вулканы – одна из господствующих форм рельефа на Венере, а на Земле такие ландшафты характерны для Гавайских островов.
География и геология
Идея о древнем марсианском океане впервые была сформулирована в конце 1980-х, когда геолог Тимоти Паркер, ныне работающий в Лаборатории реактивного движения NASA, взялся изучать снимки высокого разрешения, полученные марсианской экспедицией «Viking» в 1976-1982 годах. Он попробовал классифицировать формы рельефа, характерные для северного полушария Марса. Паркер счёл, что наблюдает древние террасы приливного происхождения и другие ландшафты, напоминающие по форме океанические побережья и шельфы на Земле. Формы рельефа, заинтересовавшие Паркера, наблюдались на снимках обоих «Викингов», приземлившихся в весьма удалённых точках северного марсианского полушария. Викинг 1 оказался на западной окраине равнины Хриса под 22° северной широты и 48° долготы, а Викинг 2 – на равнине Утопия под 48° северной широты и 226° долготы.
Как и в случае с «открытием» каналов на Марсе, гипотеза о марсианском океане первоначально была воспринята в научном сообществе скептически. Тем не менее, в начале 2010-х в северных долинах были достоверно обнаружены филлосиликаты (сложные оксиды кремния с общей формулой Si2O5), для образования которых на Земле требуется присутствие больших масс воды. Этот грунт (реголит) формировался на стыке нойского и гесперийского геологических периодов в истории Марса. Вот как эти периоды соотносятся с геологической историей Земли:
На рубеже нойского и гесперийского периодов атмосфера Марса была плотнее современной, на планете должна была существовать поверхностная гидросфера. Кроме того, именно на этот период приходится период активного марсианского вулканизма, который определяется по возрасту сернистых отложений. Согласно работе, опубликованной в 2023 году специалистами французского Национального центра научных исследований (CNRS), гора Олимп могла сформироваться как вулканический остров в прибрежной части океана в результате многократных извержений. Абсолютная высота вулкана Олимп от условного марсианского «уровня моря» составляет примерно 21 230 метров, а относительная (от подножья до вершины) – более 26 000 метров. По площади Олимп сравним с Францией или Польшей:
От кратера Олимпа расходится система горных гряд и каньонов, которые именуются «ореолом». Как известно, на Марсе отсутствует тектоника плит — как и на всех других телах Солнечной системы, кроме Земли. Поэтому можно предположить, что Олимп возник в результате продолжительного вулканического процесса, протекавшего по принципу «горячей точки». Наиболее известная горячая точка на Земле — это гавайский архипелаг. Вот как выглядит образование вулкана по такой модели:
Сравним, как выглядят с высоты вершины в марсианском регионе Фарсида и гавайский архипелаг:
Продолжая аналогию с Гавайскими островами, с начала 2010-х учёные развивают идеи и модели, согласно которым на этапе формирования Олимп был вулканическим островом. Косвенно об этом свидетельствует топография Олимпа и окружающего региона. В 2023 году вышла наиболее свежая обобщающая работа на эту тему — статья «A giant volcanic island in an early Martian Ocean?» под руководством французского учёного Энтони Хильдербранда. Обращу ваше внимание, что сфера научных интересов Хильдебранда – образование вулканических островов на Земле, а именно в Азорском архипелаге и во Французской Полинезии.
Одной из самых характерных морфологических черт вулкана (наряду с кальдерами) являются эскарпы. Это пологие уступы, формируемые многократно накладывающимися друг на друга потоками лавы. Скорость формирования эскарпа и его конфигурация зависят от вязкости лавы, а она сильно возрастает, если поток попадает с суши в воду.
Группа Хильдебранда пришла к выводу, что гребни эскарпов, подступающих к Олимпу с юго-востока и северо-запада, позволяют выявить древнюю береговую линию по изменению вязкости лавы. В рельефе Олимпа переход лавы с суши в воду привёл к образованию обрывистого верхнего края эскарпа, ныне расположенного на высоте около 6 км от основания горы. Эскарп формировался около 2 миллиардов лет назад, когда Олимп активно извергался. В свою очередь, регион Фарсида (Тарсис) образовался значительно раньше, 3,7-4 миллиарда лет назад, и в тот период мог находиться на морском дне. Структуры, похожие на эскарп Олимпа, также просматриваются у горы Альба. Общий спуск рельефа позволяет предположить, что северная и северо-западная оконечность Фарсиды была побережьем, а Олимп возвышался над океаном и постепенно рос на месте «горячей точки» в течение сотен миллионов лет.
О природе вулканических островов
На Земле многие вулканические провинции находятся полностью или преимущественно на суше, в лучшем случае захватывая островные дуги на периферии. В таких регионах известна форма рельефа под названием кипука. «Кипука» в переводе с гавайского означает «остров»; это реликтовый ландшафт, со всех сторон окружённый застывшими потоками лавы.
Кипука известны не только на Земле, но и на Луне. Как понятно из названия, первые кипука были исследованы именно на Гавайских островах, например в окрестностях вулкана Килауэа. Кипука могут иметь вытянутую или неправильную форму, располагаться как внутри однородного потока лавы, так и между потоками лавы разного возраста. В последнем случае такие потоки лавы бывают разветвлёнными и отдалённо напоминают речные дельты, а оазисы-кипука лежат друг за другом наподобие цепочки. Геологический анализ окрестностей кипука показывает, что они образуются среди потоков лавы с низкой вязкостью, богатых карбонатами, сернистыми соединениями и коматиитом — минералом, состоящим из смеси оксидов кремния и магния. Текучая лава с низкой вязкостью на Земле встречается достаточно редко. Например, на Камчатке распространены базальтовые лавы, текущие со скоростью около 2 м/c. Они остывают и затвердевают настолько быстро, что человек может уйти от потока лавы быстрым шагом, успевая его фотографировать. Гавайская лава, напротив, распространяется на 10-20 метров в секунду. За пределами гавайского архипелага потоки такой лавы встречаются редко, и одно из самых недавних и неожиданных извержений такого рода случилось на Ла-Пальме, одном из Канарских островов. Оно началось 19 сентября 2021 года и продолжалось 85 дней. Всё это время лава температурой более 1100 градусов стекала с горы Кумбре-Вьеха в океан.
Если Олимп, горы Тарсис и гора Альба действительно сформировались по гавайскому принципу, то с высокой вероятностью они представляли собой архипелаг. Поскольку на Марсе отсутствует тектоника плит, все эти горы поднялись на поверхность под давлением мантийных плюмов. Плюм — это пузырь всплывающей из недр планеты и одновременно расширяющейся магмы, который может приводить к извержениям вулканов, а может вызывать более спокойное, но быстрое образование возвышенностей. Диаметр внешней части плюма достигает нескольких тысяч километров, и совсем недавно, в конце 2022 года, в марсианской долине Элизий открыли действующий мантийный плюм, свидетельствующий, что вулканическая активность на Марсе окончательно не затухла. При отсутствии литосферных плит тектоника на планете развивается по модели застойной крышки (stagnant lid), поэтому давление мантийного плюма приводит к устойчивому росту одиночной горы, и этот рост продолжается до тех пор, пока гора не начнёт разрушаться под действием силы тяготения или внешних эрозионных процессов. Марсианский Олимп по относительной высоте примерно втрое выше Мауна-Кеа, высочайшей вершины Гавайского архипелага, относительная высота которой составляет примерно 10200 метров, а высота над уровнем моря – 4207 метров.
Как сформировался марсианский Олимп
В начале XXI века появились исследования марсианского рельефа на основе высококачественных снимков, сделанных с орбитальных аппаратов. Так, в статье за 2004 год, подготовленной под руководством Патрика Макговерна из Лунно-планетного Института в Хьюстоне, штат Техас, предполагалось, что нижний уровень (базальный уступ) Олимпа состоит из осадочных пород и сформировался в результате сильнейших оползней. В статье за 2014 год под руководством Мэтта Уэллера из Университета Райса высказывалась компромиссная гипотеза, что мощный эскарп Олимпа формировался как под влиянием оползней, так и в процессе поднятия по принципу гавайской горячей точки. Поскольку весь горный массив, а временами и вся Фарсида при этом оставались сейсмически активными, местами склоны получились пологими, а местами — обрывистыми. По общим очертаниям Олимп довольно близок к Мауна‑Кеа, а нам известно, что подножье Мауна‑Кеа приобрело такие контуры из-за нахождения под водой.
Вышеприведённые версии о природе Олимпа во многом спекулятивны, а данные допускают разную интерпретацию. Тем не менее, в статье Энтони Хильдебранда и его коллег, опубликованной в 2023 году в журнале Earth and Planetary Science Letters выдвигается версия, что ровные выпуклые и чётко очерченные склоны Олимпа формировались в эпоху, когда гора располагалась на обширном острове, а глубина очень холодного океана в окрестностях острова составляла около 6 км. Лава Олимпа более напоминала гавайскую, чем камчатскую или сицилийскую, но всё равно была значительно гуще воды и при этом очень быстро застывала при попадании в неё.
По оценке Хильдебрандта, Олимп сформировался на рубеже нойского и гесперийского периодов в истории Марса, то есть в период от 3,8 до 3,5 миллиарда лет назад. Аналогичные очертания склонов, вероятно сформированные потоками «гавайской» лавы, Хильдебранд усматривает на северном склоне горы Альба, расположенной в 1800 километрах к северо-западу от Олимпу. Альба примерно втрое ниже Олимпа (6,8 км), её склоны значительно более пологие, а подножье более обширное по сравнению с абсолютной высотой. Хильдебранд предполагает, что именно вокруг Олимпа рост вулкана сопровождался массивным и быстрым поднятием коры. Именно поэтому Олимп вырос настолько выше горы Альба и других гор Фарсиды, расположенных восточнее. В амазонийский геологический период, около 3 миллиардов лет назад и позже, океаны Марса высохли, но извержения Олимпа в амазонийский период продолжались. Это обоснованное предположение – возможно, что самой молодой лаве на склонах Олимпа всего 2 миллиона лет. Выкладки Хильдебранда не только значительно уточняют период существования марсианской гидросферы, но и показывают, что район Олимпа — один из самых перспективных для поисков залежей водяного льда на Марсе. Возможно, в окрестностях Олимпа и на западном побережье Фарсиды даже сохранились геотермальная активность и криовулканы. Но выводы об островной природе Олимпа не всем кажутся бесспорными.
Например, их оспаривает доктор Джулия Морган из Университета Райса. Она полагает, что исключительная изменчивость эскарпов Олимпа и резкие перепады высот указывают на многократные наслоения и обрушения разновозрастной лавы, а не на постепенные отложения лавы на дне океана. По её мнению, сложно идентифицировать в истории Марса столь продолжительный период, в течение которого в районе Олимпа мог существовать глубокий и стабильный океан. Более того, сейчас Марс настолько засушливый, что сложно представить, откуда на планете могли взяться запасы воды, достаточные для образования шестикилометровых океанских глубин. При этом в районе Олимпа действительно весьма влажно по марсианским меркам. С начала 2010-х высказывались версии о том, что на Олимпе могли образовываться ледники, существовавшие на западных склонах не более 20 миллионов лет назад. Уже в 2024 году анализ данных с аппарата Gas Trace Orbiter показал, что на склонах Олимпа ненадолго образуется водяной иней. Повышенная влажность наблюдается и в долинах Маринер на территории Фарсиды – в 2009 году там был зафиксирован туман. Некоторые исследователи, в частности, Роберт Цитрон из Калифорнийского университета в Беркли, полагают, что в районе Фарсиды могли существовать не один, а два океана. Более древний из них, Арабия, раскинулся там около 4 миллиардов лет назад. Тогда Фарсида только формировалась и успела вырасти примерно на 20% от современных размеров, но именно в тот период она активно насыщала марсианскую атмосферу вулканическими газами. Вулканические газы провоцировали парниковый эффект, благоприятствуя появлению обширного мелкого океана. Второй океан, Девтеронилус, в составе которого был обширный Залив Исиды, мог сформироваться примерно 3,6 миллиарда лет назад. В тот период Олимп уже был изолированным островом, и северное полушарие Марса могло выглядеть так:
Таким образом, в случае долговременных пилотируемых экспедиций на Марс изучение геологии и гидрологии Олимпа представляет первоочередной интерес. Формирование Фарсиды, которая сейчас образует в западном полушарии Марса огромный выступ, наверняка самым катастрофическим образом сказалось на истории планеты, по меркам Марса это был один большой супервулкан. Определённо, при освоении Марса придётся учитывать возможность пробуждения Олимпа и близлежащих гор, притом, что именно эта область может быть освоена в первую очередь, например, путём заселения лавовых трубок. Если марсианские полярные шапки растают, и последнее лето Марса всё-таки наступит, кому-то доведётся наблюдать на месте нынешних северных равнин Океан Странных Островов, вполне заслуживающий такого названия.