За последние несколько сот миллионов лет на Марсе могло смениться от шести до двадцати ледниковых периодов. Такой вывод сделали на основе анализа снимков марсианских геоморфологических структур, аналогичных земным моренам и вызванных перемещением камней под влиянием ледника.
Предполагается, что климат на Марсе в ранние эпохи был более мягким, чем сегодня, настолько, что на его поверхности могла существовать вода, а условия могли даже быть благоприятными для возникновения примитивных форм жизни, как в архее на Земле. Но такой климат господствовал только на протяжении нойской эпохи — первого периода марсианской геологической истории — и закончились около трёх миллиардов лет назад. Уже в начале следующего, гесперийского, периода поверхность Марса превратилась в сухую пустыню (более подробно о делении геологической истории Марса см. вставку к этой статье). Однако приполярные области Марса, где более низкая температура, сегодня покрыты постоянными ледовыми шапками, сложенными замороженной углекислотой и водяным льдом. Как сравнительно недавно установлено при помощи радарной съёмки, ледники в изрядном количестве присутствуют и в умеренных широтах, но ледяной покров здесь спрятан под поверхностью марсианского грунта. Эти ледники, как считают планетологи, образовались значительно позже, в амазонийскую эпоху геологической истории, которая продолжается сейчас. На существование областей, занятых водяным льдом также указывают некоторые специфические формы рельефа, аналогичные похожим структурам на Земле, связанным с эволюцией ледника. Такие образования, как косвенные признаки существования приповерхностного льда, можно изучать по орбитальным снимкам.
«Лопастные наносные окраины» (неустоявшийся перевод термина Lobate debris aprons, LDA) — название геоморфологических структур на Марсе, вызванных перемещением масс льда и камней. Их пример крупным планом показан на открывающей фотографии в виде нагромождений камней у подножий гор (размер кадра на фото около 1 км). Они встречаются в основном в умеренных марсианских широтах 25—60°. Вероятно, на Земле их ближайшим аналогом будут ледниковые морены различных видов — нагромождения валунов в горах и предгорье, которые принёс ледник и которые скапливаются, например, по его краям, вдоль центральной линии или в крайней точке, до которой он дошёл. После отступления ледника валуны остаются, формируя такие своеобразные формы рельефа. Похожее происхождение имеют разнообразные постледниковые структуры — озы, камы, друмлины и пр.; как и морены, это — валунные насыпи на трассе движения уже исчезнувших ледников, они формируют характерные пейзажи в земных северных широтах (флювиогляциальный рельеф).
По цепочкам морен и по таким более крупным структурам в средних широтах Земли устанавливаются границы прошлых оледенений, закрывающих значительные площади суши. Так, на протяжении четвертичного периода (последние 1,7 миллиона лет истории Земли) отмечают несколько крупных оледенений, или гляциалов, которые сами разделяются на стадии. В разных регионах Земли схемы деления по четвертичным гляциалам различаются, к примеру, для Альп устоялась схема с четырьмя ледниковыми эпохами. Последняя из них закончилась около 20 тысяч лет назад.
На Марсе геологические процессы протекают значительно медленнее, и такой быстрой смены ледниковых эпох, как на Земле, быть не может. Ледяной покров, образовавшись, может существовать сотни миллионов лет, но под слоем реголита — лёд и жидкая вода на большей части поверхности Марса неустойчивы и при марсианских температурах и давлении быстро сублимируются (про возможности и ограничения для существования воды или льда на современной марсианской поверхности есть более подробная статья). Открытым остаётся вопрос, сформировались ли эти подповерхностные ледники на протяжении одного крупного периода (марсианского «ледяного века»), или в течение нескольких геологических событий, разнесённых друг от друга на десятки миллионов лет. Поскольку длительные ледниковые периоды на планете, возможно, связаны с изменением наклона её оси вращения, история марсианских оледенений уточняет представления об долгосрочных изменениях климата на Марсе и на Земле в геологической истории.
Об особенностях формирования и эволюции ушедшего ледника на Земле представление можно получить, изучая распределение принесённых им валунов по размерам и расстояниям разноса, то есть пространственную структуру морены. В рамках одного «цикла» ледника более мелкие булыжники будут статистически стремиться скатиться дальше вниз по течению, чем крупные. Если на склоне было несколько таких циклов, то каждый из них оставит после себя различимые полосы из камней на разных местах — в зависимости от того, куда дошёл язык ледника. Это правило относится как к небольшим ледникам в горах размером в километры, так и целым областям покровных оледенений, занимающих тысячи километров (как в нашу эпоху Гренландия и Антарктида).
Похожий принцип применили для анализа снимков высокого разрешения со спутника Mars Reconnaissance Orbiter. Виртуальное «полевое исследование» заключалось в анализе 45 таких «моренных» структур LDA на месте предполагаемых ледников, из которых 40 расположены в северном марсианском полушарии, и 5 — в южном. Изучалось распределение камней в их окрестностях по размерам и плотности нагромождения. Всего команда из десяти человек — планетологов и студентов Колгейтского университета вручную посчитала и нанесла на карту около 60 тысяч крупных валунов. Новое исследование по итогам этой работы опубликовано в январе 2021 года в PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Марсианские валуны в окрестностях ледника оказались распределены по размерам довольно случайно, в отличие от закономерностей на Земле — интуитивная «земная» гипотеза о сортировке булыжников по размерам на Марсе не работает. Возможно, они перемещались в основном внутри тела ледника, а попав на поверхность, не подвергались такой эрозии, как на Земле. Однако их пространственное размещение оказалось более информативным: они образуют чёткие полосы наподобие моренных гряд. Эти нагромождения различимы на снимках, но их можно охарактеризовать и объективно при помощи кластерного анализа распределения камней. Количество таких полос меняется от ледника к леднику, и здесь тоже есть закономерности: например, полос статистически больше у ледников в более высоких широтах (приполярные участки испытали больше циклов наступления ледника). Также полос больше на склонах, обращённых в сторону полюсов по сравнению со склонами, смотрящими на экватор. Исходя из этих данных заключили, что за последние 300 — 800 миллионов лет на Марсе сменилось от 6 до 20 отдельных эпох оледенений.
После картирования такого количества валунов на марсианских ледниках вручную эти данные можно использовать как обучающий набор для систем искусственного интеллекта для анализа других ледников под марсианской поверхностью, подобно тому, как недавно при помощи системы ИИ удалось выполнить автоматизированный подсчёт и картирование около ста тысяч кратеров на Луне по результатам нескольких китайских серии лунных проектов Чанъэ (см. про это отдельную статью). Ледники в умеренных марсианских широтах в виде залежей льда совсем недалеко от поверхности в будущем могут стать ценным ресурсом. Но такие отложения можно использовать и сейчас для исследования геологической истории, в частности, во льду могут сохраняться биомаркеры возможной жизни на Марсе, если она когда-либо существовала в ранние эпохи.
