Климат Марса на протяжении веков был предметом научного любопытства, отчасти потому, что это единственная планета земной группы , поверхность которой можно легко детально наблюдать непосредственно с Земли с помощью телескопа .
Хотя Марс меньше Земли , имеет лишь одну десятую массы Земли [1] и на 50% дальше от Солнца , чем Земля, его климат имеет важные сходства, такие как наличие полярных ледяных шапок , сезонные изменения и наблюдаемые погодные условия. . Оно привлекло к себе пристальное внимание планетологов и климатологов . Хотя климат Марса имеет сходство с земным, включая периодические ледниковые периоды , существуют и важные различия, такие как гораздо более низкая тепловая инерция . Атмосфера Марса имеет высоту примерно 11 км (36 000 футов), что на 60% больше, чем на Земле. Климат имеет большое значение для вопроса о том, присутствует ли когда-либо жизнь на планете.
Марс изучается с помощью наземных инструментов с 17 века, но только с тех пор, как исследование Марса началось в середине 1960-х годов, наблюдения с близкого расстояния стали возможны. Облетающие и орбитальные космические корабли предоставляли данные сверху, а посадочные аппараты и марсоходы непосредственно измеряли атмосферные условия. Усовершенствованные околоземно-орбитальные инструменты сегодня продолжают предоставлять некоторые полезные наблюдения «общей картины» относительно крупных погодных явлений.
Первым облетом Марса стал «Маринер-4» , прибывший в 1965 году. Этот быстрый двухдневный пролет (14–15 июля 1965 года) с использованием грубых инструментов мало что изменил в уровне знаний о марсианском климате. Более поздние миссии «Маринера» ( Маринер 6 и 7 ) заполнили некоторые пробелы в базовой климатической информации. Исследования климата на основе данных всерьез начались с спускаемых аппаратов программы «Викинг» в 1975 году и продолжаются с таких зондов, как Mars Reconnaissance Orbiter .
Эта наблюдательная работа была дополнена своего рода научным компьютерным моделированием, называемым моделью общей циркуляции Марса . [2] Несколько различных итераций MGCM привели к лучшему пониманию Марса, а также ограничений таких моделей.
Джакомо Маральди определил в 1704 году, что южная шапка не находится в центре полюса вращения Марса. [3] Во время противостояния 1719 года Маральди наблюдал как полярные шапки, так и временную изменчивость их протяженности.
Уильям Гершель был первым, кто пришел к выводу о низкой плотности марсианской атмосферы в своей статье 1784 года, озаглавленной « О замечательных явлениях в полярных областях планеты Марс, наклоне ее оси, положении ее полюсов и ее сфероидальной форме»; с несколькими намеками относительно его реального диаметра и атмосферы . Когда Марс, казалось, проходил рядом с двумя слабыми звездами, не влияя на их яркость, Гершель правильно пришел к выводу, что это означает, что вокруг Марса мало атмосферы, которая могла бы мешать их свету. [3]
Открытие Оноре Флогергом в 1809 году «желтых облаков» на поверхности Марса является первым известным наблюдением марсианских пылевых бурь. [4] Флогерг также наблюдал в 1813 году значительное уменьшение полярного льда во время марсианской весны. Его предположение о том, что это означает, что Марс теплее Земли, оказалось неточным.
В настоящее время используются две системы датирования марсианского геологического времени. Один основан на плотности кратеров и имеет три возраста: нойский , гесперианский и амазонский . Другая представляет собой минералогическую хронологию, также имеющую три возраста: филлокийский, тейкийский и сидерикийский.
Недавние наблюдения и моделирование дают информацию не только о нынешнем климате и атмосферных условиях Марса, но и о его прошлом. Давно предполагалось, что марсианская атмосфера Ноевой эпохи была богата углекислым газом . Недавние спектральные наблюдения за отложениями глинистых минералов на Марсе и моделирование условий образования глинистых минералов [5] показали, что в глине той эпохи практически нет карбоната . Образование глины в среде, богатой углекислым газом, всегда сопровождается образованием карбонатов, хотя позже карбонат может раствориться под действием вулканической кислотности. [6]
Открытие на Марсе минералов, образованных водой, включая гематит и ярозит , марсоходом Opportunity и гетит , марсоходом Spirit , привело к выводу, что климатические условия в далеком прошлом допускали свободное течение воды на Марсе . Морфология некоторых кратеров на Марсе указывает на то, что в момент удара земля была влажной. [7] Геоморфические наблюдения как за темпами эрозии ландшафта [8], так и за сетью марсианских долин [9] также убедительно указывают на более теплые и влажные условия на Марсе Ноевой эпохи (более ранние, чем примерно четыре миллиарда лет назад). Однако химический анализ образцов марсианских метеоритов показывает, что температура окружающей среды у поверхности Марса, скорее всего, была ниже 0 ° C (32 ° F) в течение последних четырех миллиардов лет. [10]
Некоторые ученые утверждают, что огромная масса вулканов Тарсис оказала большое влияние на климат Марса. Извергающиеся вулканы выделяют большое количество газа, главным образом водяного пара и CO 2 . Вулканы могли выпустить достаточно газа, чтобы сделать раннюю марсианскую атмосферу толще земной. Вулканы также могли выбросить достаточно H 2 O, чтобы покрыть всю поверхность Марса на глубину до 120 м (390 футов). Углекислый газ — это парниковый газ , который повышает температуру планеты: он удерживает тепло, поглощая инфракрасное излучение . Таким образом, вулканы Тарсиса, выделяя CO 2 , могли в прошлом сделать Марс более похожим на Землю. Возможно, когда-то на Марсе была гораздо более плотная и теплая атмосфера, а также на нем могли присутствовать океаны и озера. [11] Однако оказалось чрезвычайно сложно построить убедительные глобальные климатические модели Марса, которые обеспечивают температуру выше 0 °C (32 °F) в любой момент его истории, [12] хотя это может просто отражать проблемы с точной калибровкой такие модели.
Доказательства недавнего геологически экстремального ледникового периода на Марсе были опубликованы в 2016 году. Всего 370 000 лет назад планета казалась скорее белой, чем красной. [13]
Температура и циркуляция Марса меняются каждый марсианский год (как и ожидалось для любой планеты с атмосферой и наклоном оси ). На Марсе нет океанов, которые являются источником значительных межгодовых изменений на Земле. [ необходимы разъяснения ] Данные камеры Mars Orbiter, начиная с марта 1999 года и охватывающие 2,5 марсианских года [14], показывают, что марсианская погода имеет тенденцию быть более повторяемой и, следовательно, более предсказуемой, чем погода на Земле. Если событие происходит в определенное время года в течение года, имеющиеся данные (какими бы скудными они ни были) указывают на то, что оно вполне вероятно повторится в следующем году почти в том же месте, плюс-минус неделя.
29 сентября 2008 года посадочный модуль «Феникс» обнаружил снег, падающий из облаков на высоте 4,5 км (2,8 мили) над местом приземления возле кратера Хеймдал . Осадки испарялись, не достигая земли, — явление, называемое вирга . [15]
Марсианские пылевые бури могут поднимать в атмосферу мелкие частицы, вокруг которых могут образовываться облака. Эти облака могут образовываться очень высоко, на высоте до 100 км (62 миль) над планетой. [16] Как и марсианские пыльные бури, облака могут естественным образом образовываться в результате образования сухого льда или воды и льда [17] . Более того, более редкие «перламутровые» облака образуются, когда все частицы облака формируются одновременно, создавая потрясающие радужные облака. [17] Первые изображения Марса, отправленные «Маринером-4», показали видимые облака в верхних слоях атмосферы Марса. Облака очень слабые, и их можно увидеть только в отражении солнечного света на фоне темноты ночного неба. В этом отношении они похожи на мезосферные облака, также известные как серебристые облака на Земле, которые встречаются на высоте около 80 км (50 миль) над нашей планетой.
Измерения марсианской температуры предшествовали космической эпохе . Однако ранние приборы и методы радиоастрономии давали грубые и разные результаты. [18] [19] Ранние пролетные зонды ( «Маринер-4 ») и более поздние орбитальные аппараты использовали радиозатмение для выполнения аэрономических задач . Зная химический состав, уже определенный с помощью спектроскопии , можно было бы определить температуру и давление. Тем не менее, пролетные затмения могут измерять свойства только вдоль двух разрезов , на входе и выходе их траекторий из диска Марса, как видно с Земли. В результате получаются «снимки» погоды в определенном районе и в определенное время. Затем орбитальные аппараты увеличивают количество радиотрансектов. Более поздние миссии, начиная с двойных пролетов «Маринер-6» и «Маринер-7» , а также советских « Марс-2» и «Марс-3 », использовали инфракрасные детекторы для измерения энергии излучения . «Маринер-9» первым вывел на орбиту Марса инфракрасный радиометр и спектрометр в 1971 году вместе с другими приборами и радиопередатчиком. За ними последовали «Викинг-1» и «Викинг -2» , не только с инфракрасными тепловизионными картографами (IRTM). [20] Миссии могли бы также подтвердить эти наборы данных дистанционного зондирования не только своими метрологическими штангами для спускаемых аппаратов на месте , [21] но и высотными датчиками температуры и давления для их спуска. [22]
Сообщалось о различных значениях средней температуры на Марсе на месте , [23] с общим значением -63 ° C (210 K; -81 ° F). [24] [25] Температура поверхности может достигать максимума около 20 ° C (293 K; 68 ° F) в полдень на экваторе и минимума около -153 ° C (120 K; -243 ° F). на полюсах. [26] Фактические измерения температуры на месте спускаемых аппаратов «Викинг» варьируются от –17,2 °C (256,0 К; 1,0 °F) до –107 °C (166 К; –161 °F). Самая теплая температура почвы, оцененная орбитальным аппаратом «Викинг», составила 27 ° C (300 K; 81 ° F). [27] Марсоход Spirit зафиксировал максимальную дневную температуру воздуха в тени 35 °C (308 K; 95 °F) и регулярно регистрировал температуры значительно выше 0 °C (273 K; 32 °F), за исключением зимы. [28]
Сообщалось, что «на основании данных о температуре воздуха в ночное время каждая наблюдавшаяся северная весна и начало северного лета были идентичны в пределах уровня экспериментальной ошибки (с точностью до ±1 °C)», но что «дневные данные, однако это предполагает несколько иную историю: в этом сезоне температура варьируется от года к году до 6 ° C. [29] Это несоответствие дня и ночи является неожиданным и непонятным». Весной и летом на юге в изменчивости преобладают пыльные бури, которые увеличивают значение ночной низкой температуры и уменьшают дневную пиковую температуру. [30] Это приводит к небольшому (20 °C) снижению средней температуры поверхности и умеренному (30 °C) повышению температуры верхних слоев атмосферы. [31]
До и после миссий «Викинг» новые, более продвинутые марсианские температуры определялись с Земли с помощью микроволновой спектроскопии. Поскольку микроволновый луч размером менее 1 угловой минуты больше диска планеты, результаты являются средними по всему миру. [32] Позже термоэмиссионный спектрометр Mars Global Surveyor и , в меньшей степени, THEMIS Mars Odyssey 2001 года, смогли не просто воспроизводить инфракрасные измерения, но и сравнивать данные посадочного модуля, вездехода и микроволновых данных Земли. Марсианский климатический зонд Mars Reconnaissance Orbiter может аналогичным образом определять профили атмосферы . Наборы данных «предполагают в целом более холодные атмосферные температуры и меньшую запыленность на Марсе в последние десятилетия, чем во время миссии «Викинг»» [33] , хотя данные «Викинг» ранее были пересмотрены в сторону понижения. [34] Данные TES показывают, что «гораздо более холодные (10–20 К) глобальные температуры атмосферы наблюдались в периоды перигелия 1997 года по сравнению с 1977 годом» и «что глобальная атмосфера афелия Марса холоднее, менее пыльная и более облачная, чем указано в создали климатологию викингов», опять же, принимая во внимание поправки Вильсона и Ричардсона к данным викингов. [35]
Более позднее сравнение, хотя и признало, что «именно микроволновые записи температуры воздуха являются наиболее репрезентативными», попыталось объединить прерывистые записи космического корабля. Никакой измеримой тенденции в глобальной средней температуре между Viking IRTM и MGS TES не было видно. «Температуры воздуха викингов и MGS по существу неразличимы для этого периода, что позволяет предположить, что эпохи викингов и MGS характеризуются по существу одним и тем же климатическим состоянием». Он обнаружил « сильную дихотомию » между северным и южным полушариями, «очень асимметричную парадигму марсианского годового цикла: северная весна и лето, которые относительно прохладны, не очень пыльны и относительно богаты водяным паром и ледяными облаками; и южное лето, очень похожее на то, которое наблюдал Викинг, с более высокими температурами воздуха, меньшим количеством водяного пара и водяного льда и более высоким уровнем атмосферной пыли». [29]
Прибор Mars Reconnaissance Orbiter MCS (Mars Climate Sounder) по прибытии смог работать совместно с MGS в течение короткого периода времени; менее мощные наборы данных Mars Odyssey THEMIS и Mars Express SPICAM также могут использоваться для охвата одной, хорошо откалиброванной записи. Хотя температуры MCS и TES в целом совпадают, исследователи [36] сообщают о возможном охлаждении ниже аналитической точности. «После учета этого смоделированного охлаждения температуры MCS MY 28 в среднем на 0,9 (дневное время) и 1,7 К (ночное время) ниже, чем измерения TES MY 24». [37]
Было высказано предположение, что в начале своей истории Марс имел гораздо более плотную и теплую атмосферу. [38] Большая часть этой ранней атмосферы состояла бы из углекислого газа. Такая атмосфера могла бы поднять температуру, по крайней мере в некоторых местах, выше точки замерзания воды. [39] При более высокой температуре проточная вода могла образовать множество каналов и долин оттока, которые распространены на планете. Возможно, они также собрались вместе, образовав озера и, возможно, океан. [40] Некоторые исследователи предположили, что атмосфера Марса могла быть во много раз толще земной; однако исследование, опубликованное в сентябре 2015 года, выдвинуло идею о том, что, возможно, ранняя марсианская атмосфера была не такой плотной, как считалось ранее. [41]
В настоящее время атмосфера очень разрежена. В течение многих лет предполагалось, что, как и на Земле, большая часть раннего углекислого газа была заключена в минералах, называемых карбонатами. Однако, несмотря на использование множества орбитальных инструментов для поиска карбонатов, месторождений карбонатов было обнаружено очень мало. [41] [42] Сегодня считается, что большая часть углекислого газа в марсианском воздухе была удалена солнечным ветром . Исследователи обнаружили двухэтапный процесс, который отправляет газ в космос. [43] Ультрафиолетовый свет Солнца может поразить молекулу углекислого газа, расщепив ее на окись углерода и кислород. Второй фотон ультрафиолетового света мог бы впоследствии расщепить окись углерода на кислород и углерод, которые получили бы достаточно энергии, чтобы покинуть планету. В этом процессе, скорее всего, легкий изотоп углерода ( 12 C ) покинет атмосферу. Следовательно, углекислый газ, оставшийся в атмосфере, будет обогащен тяжелым изотопом ( 13 C ). [44] Этот более высокий уровень тяжелого изотопа был обнаружен марсоходом Curiosity на Марсе. [45] [46] Климатические данные для кратера Гейла представлены ниже, времена года приведены к земным.
Марсианская атмосфера состоит в основном из углекислого газа и имеет среднее поверхностное давление около 600 паскалей (Па), что намного ниже, чем земное (101 000 Па). Одним из последствий этого является то, что атмосфера Марса может гораздо быстрее реагировать на заданное количество энергии. чем атмосфера Земли. [51] Как следствие, Марс подвержен сильным тепловым приливам , вызванным солнечным нагревом, а не гравитационным воздействием. Эти приливы могут быть значительными и составлять до 10% от общего атмосферного давления (обычно около 50 Па). Атмосфера Земли испытывает аналогичные суточные и полусуточные приливы, но их влияние менее заметно из-за гораздо большей атмосферной массы Земли.
Хотя температура на Марсе может достигать температуры выше точки замерзания, жидкая вода на большей части планеты нестабильна, поскольку атмосферное давление ниже тройной точки воды , а водяной лед превращается в водяной пар. Исключением являются низменные районы планеты, в первую очередь ударный бассейн Hellas Planitia , крупнейший такой кратер на Марсе. Оно настолько глубокое, что атмосферное давление на дне достигает 1155 Па , что выше тройной точки , поэтому, если бы температура превысила местную точку замерзания, там могла бы существовать жидкая вода.
Поверхность Марса имеет очень низкую тепловую инерцию , а это значит, что она быстро нагревается, когда на нее светит солнце. Типичные суточные колебания температуры вдали от полярных регионов составляют около 100 К. На Земле ветры часто развиваются в районах, где тепловая инерция внезапно меняется, например, с моря на сушу. На Марсе нет морей, но есть области, где меняется тепловая инерция грунта, что приводит к утренним и вечерним ветрам, сродни морским бризам на Земле. [52] Проект Antares «Маломасштабная погода на Марсе» (MSW) недавно выявил некоторые незначительные недостатки в текущих моделях глобального климата (GCM) из-за более примитивного моделирования почвы с помощью GCM. «Приток тепла к земле и обратно на Марсе весьма важен, поэтому схемы грунта должны быть достаточно точными». [53] Эти недостатки исправляются и должны привести к более точным будущим оценкам, но делают дальнейшее использование старых прогнозов смоделированного марсианского климата несколько проблематичным.
В низких широтах доминирует циркуляция Хэдли , и по существу она аналогична процессу, который на Земле порождает пассаты . В более высоких широтах в погоде преобладает ряд областей высокого и низкого давления, называемых волнами бароклинного давления. Марс суше и холоднее Земли, и, как следствие, пыль, поднятая этими ветрами, имеет тенденцию оставаться в атмосфере дольше, чем на Земле, поскольку нет осадков, которые могли бы ее вымыть (за исключением снегопада CO 2 ). [54] Один из таких циклонических штормов был недавно заснят космическим телескопом «Хаббл» (на фото ниже).
Одним из основных различий между циркуляциями Хэдли на Марсе и Земле является их скорость [55] , которая измеряется в опрокидывающейся временной шкале. Время опрокидывания на Марсе составляет около 100 марсианских дней , а на Земле — более года.
Катабатические ветры, или дренажные атмосферные потоки, — это ветры, которые возникают в результате опускания и ускорения охлажденного плотного воздуха по наклонной местности под действием гравитационной силы. [56] Чаще всего стоковые ветры встречаются на Земле, воздействуя на приподнятые ледниковые щиты Гренландии и Антарктиды. Также стоковые ветры могут воздействовать на части Марса с интенсивными выраженными нисходящими циркуляциями, такие как Долины Маринериса, Горы Олимп, а также северные и южные районы Марса. полярная шапка. [56] Их можно идентифицировать по множеству различных морфологических особенностей поверхности в полярных регионах, таких как дюнные поля и полосы инея. [57] Из-за низкой тепловой инерции тонкой CO 2 атмосферы Марса и коротких радиационных временных масштабов стоковые ветры на Марсе в два-три раза сильнее, чем на Земле, и возникают на больших территориях суши со слабыми окружающими ветрами, наклонными рельеф местности, а также приземные температурные инверсии или радиационное охлаждение поверхности и атмосферы. [56] Катабатические ветры сыграли важную роль в формировании северной полярной шапки и полярных слоистых отложений, как в эоловой, так и в термической методологии. [57] Также было показано, что ускорение стоковых ветров увеличивается с увеличением крутизны склона и вызывает потепление атмосферы, чем интенсивнее склон. [58] Это потепление атмосферы может возникнуть на любом крутом склоне, но оно не всегда равно потеплению поверхности. [58] Также показано, что они ограничивают скорость конденсации CO 2 на полярных шапках зимой и увеличивают сублимацию CO 2 летом. [58] Хотя количественные измерения стоковых ветров редко доступны, они остаются весьма востребованным элементом для предстоящих миссий. [56]
Катабатические скачки также распространены во впадинах на Марсе и могут быть описаны как узкие зоны с большими горизонтальными изменениями давления, температуры и скорости ветра, которые требуют перенасыщенного водяного пара для формирования облаков и обеспечения миграции льда из верхней части впадины в нижнюю часть. ниже по течению. [59] По этой причине зимой в полярных шапках наблюдается меньше стоковых скачков, поскольку сезонная ледяная шапка, покрывающая полярные регионы, означает, что меньше водяного льда доступно для создания пара. [59] Однако, даже когда сезонная шапка сублимировалась в течение марсианского лета, быстрые ветры, необходимые для стоковых прыжков, больше не присутствуют, а это означает, что облачный покров снова становится незначительным. [59] Таким образом, стоковые прыжки чаще всего наблюдаются во впадинах во время марсианской весны и марсианской осени. [59]
Когда зонд «Маринер-9» прибыл на Марс в 1971 году, ученые ожидали увидеть новые четкие изображения деталей поверхности. Вместо этого они увидели пыльную бурю, охватившую всю планету [61] , и над дымкой виднелся только гигантский вулкан Олимп . Шторм длился месяц, и, как выяснили ученые, это явление довольно распространено на Марсе. Используя данные Mariner 9, Джеймс Б. Поллак и др. предложил механизм пылевых бурь на Марсе в 1973 году. [62]
По наблюдениям космического корабля «Викинг» с поверхности [30] «во время глобальной пылевой бури суточный диапазон температур резко сузился, от 50°С до примерно 10°С, а скорость ветра значительно возросла — причем всего за час». С момента прихода шторма они увеличились до 17 м/с (61 км/ч), с порывами до 26 м/с (94 км/ч). осветление и потеря контрастности поверхностного материала из-за осаждения на него пыли». 26 июня 2001 года космический телескоп «Хаббл» заметил пыльную бурю, назревающую в бассейне Эллада на Марсе (на фото справа). Днем позже шторм «взорвался» и стал событием глобального масштаба. Орбитальные измерения показали, что эта пылевая буря снизила среднюю температуру поверхности и повысила температуру атмосферы Марса на 30 К. [31] Низкая плотность марсианской атмосферы означает, что ветры от 18 до 22 м/с (от 65 до 79 км/ч) необходимы для поднятия пыли с поверхности, но поскольку Марс очень сухой, пыль может оставаться в атмосфере гораздо дольше, чем на Земле, где ее вскоре смывает дождь. В сезоне, последовавшем за пыльной бурей, дневная температура была на 4 К ниже средней. Это было связано с глобальным покрытием светлой пыли, которая осела из пылевой бури, временно увеличив альбедо Марса . [63]
В середине 2007 года охватившая всю планету пыльная буря представляла серьезную угрозу для марсоходов Spirit и Opportunity , работающих на солнечной энергии, поскольку уменьшила количество энергии, вырабатываемой солнечными панелями, и вызвала необходимость остановки большинства научных экспериментов в ожидании завершения миссии. бури, чтобы очиститься. [64] После пыльных бурь марсоходы значительно снизили мощность из-за оседания пыли на массивах. [65]
Пылевые бури наиболее распространены во время перигелия , когда планета получает на 40 процентов больше солнечного света, чем во время афелия . Во время афелия в атмосфере образуются облака водяного льда, взаимодействующие с частицами пыли и влияющие на температуру планеты. [66]
Сильная пыльная буря началась в конце мая 2018 года и продолжалась по состоянию на середину июня. К 10 июня 2018 года, как наблюдалось в месте нахождения марсохода Opportunity , шторм был более интенсивным, чем пыльная буря 2007 года, которую пережил Opportunity . [67] 20 июня 2018 года НАСА сообщило, что пылевая буря разрослась и полностью охватила всю планету. [68] [69]
Наблюдения, начиная с 1950-х годов, показали, что вероятность возникновения пылевой бури по всей планете в конкретный марсианский год составляет примерно один к трем. [70]
Пылевые бури способствуют потере воды на Марсе. Исследование пылевых бурь с помощью Mars Reconnaissance Orbiter показало, что 10 процентов потерь воды с Марса могли быть вызваны пылевыми бурями. Приборы на борту Mars Reconnaissance Orbiter обнаружили наблюдаемый водяной пар на очень больших высотах во время глобальных пылевых бурь. Ультрафиолетовый свет солнца может затем расщепить воду на водород и кислород. Водород из молекулы воды затем уходит в космос. [71] [72] [73] Было обнаружено, что последняя потеря атомарного водорода из воды в значительной степени вызвана сезонными процессами и пылевыми бурями, которые переносят воду непосредственно в верхние слои атмосферы. [74] [75]
Считается, что марсианские пылевые бури могут привести к атмосферным электрическим явлениям. [76] [77] [78] Известно, что пылинки приобретают электрический заряд при столкновении с землей или другими частицами. [79] Теоретический, вычислительный и экспериментальный анализ лабораторных пылевых потоков и полномасштабных пылевых вихрей на Земле показывает, что самоиндуцированное электричество, включая молнию, является распространенным явлением в турбулентных потоках, насыщенных пылью. [80] [81] [82] На Марсе эта тенденция будет усугубляться низким давлением атмосферы, что приведет к гораздо более низким электрическим полям, необходимым для пробоя. В результате аэродинамическая сегрегация пыли как на мезо-, так и на макроуровне может легко привести к достаточно большому разделению зарядов, вызывающему локальный электрический пробой в пылевых облаках над землей. [83]
Тем не менее, в отличие от других планет Солнечной системы, на поверхности Марса не существует никаких измерений, подтверждающих эти гипотезы. [84] Первая попытка прояснить эти неизвестные была предпринята посадочным модулем Schiaparelli EDM миссии ExoMars в 2016 году, который включал соответствующее бортовое оборудование для измерения электрических зарядов пыли и электрических полей атмосферы на Марсе. Однако посадочный модуль потерпел неудачу при автоматической посадке 19 октября 2016 года и разбился на поверхности Марса.
Процесс геологической сальтации весьма важен на Марсе как механизм добавления твердых частиц в атмосферу. На марсоходе MER Spirit наблюдались соленые частицы песка . [85] Теория и наблюдения реального мира не согласуются друг с другом, классическая теория упускает до половины реальных сальтирующих частиц. [86] Модель, более точно соответствующая реальным наблюдениям, предполагает, что сальтирующие частицы создают электрическое поле, которое усиливает эффект сальтации. Марсианские зерна сальтируют по траекториям в 100 раз выше и длиннее и достигают в 5–10 раз более высоких скоростей, чем земные зерна. [87]
Большое облако в форме пончика появляется в северной полярной области Марса примерно в одно и то же время каждый марсианский год и имеет примерно одинаковый размер. [88] Он образуется утром и рассеивается к марсианскому полудню. [88] Внешний диаметр облака составляет примерно 1600 км (1000 миль), а внутренняя дыра или глаз составляет 320 км (200 миль) в поперечнике. [89] Считается, что облако состоит из водяного льда, [89] поэтому оно белого цвета, в отличие от более распространенных пыльных бурь.
Он выглядит как циклонический шторм, похожий на ураган, но не вращается. [88] Облако появляется в северное лето и на высоких широтах. Предполагается, что это связано с уникальными климатическими условиями вблизи северного полюса. [89] Циклоноподобные штормы были впервые обнаружены во время программы орбитального картирования «Викинг», но северное кольцевое облако почти в три раза больше. [89] Облако также было обнаружено различными зондами и телескопами, включая «Хаббл» и Mars Global Surveyor . [88] [89]
Другими повторяющимися событиями являются пыльные бури и пыльные дьяволы . [89]
Метан (CH 4 ) химически нестабилен в современной окислительной атмосфере Марса. Он быстро разрушится из-за ультрафиолетового излучения Солнца и химических реакций с другими газами. Следовательно, постоянное присутствие метана в атмосфере может означать существование источника постоянного пополнения газа.
Следовые количества метана на уровне нескольких частей на миллиард (ppb) впервые были обнаружены в атмосфере Марса командой Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в 2003 году. [90] [91] Были измерены большие различия в содержании метана. между наблюдениями, проведенными в 2003 и 2006 годах, что позволило предположить, что метан имел локальную концентрацию и, вероятно, был сезонным. [92] В 2014 году НАСА сообщило, что марсоход Curiosity обнаружил десятикратное увеличение («всплеск») содержания метана в атмосфере вокруг него в конце 2013 и начале 2014 года. Четыре измерения, проведенные за два месяца в этот период, в среднем составили 7,2 частей на миллиард, подразумевая, что Марс эпизодически производит или выделяет метан из неизвестного источника. [93] До и после этого средние показатели составляли около одной десятой этого уровня. [94] [95] [93] 7 июня 2018 года НАСА объявило о циклических сезонных изменениях фонового уровня метана в атмосфере. [96] [97] [98]
Основными кандидатами на происхождение марсианского метана являются небиологические процессы, такие как реакции вода -порода, радиолиз воды и образование пирита , все из которых производят H 2 , который затем может генерировать метан и другие углеводороды посредством синтеза Фишера-Тропша с СО и СО 2 . [99] Также было показано, что метан может быть произведен в процессе с участием воды, углекислого газа и минерала оливина , который, как известно, распространен на Марсе. [100]
Еще одним возможным источником являются живые микроорганизмы , такие как метаногены , но никаких доказательств присутствия таких организмов на Марсе обнаружено не было. [101] [102] [103] (См.: Жизнь на Марсе#Метан )
Снимки Mars Reconnaissance Orbiter позволяют предположить, что необычный эффект эрозии возникает из-за уникального климата Марса. Весеннее потепление в некоторых районах приводит к тому, что лед CO 2 сублимируется и поднимается вверх, создавая весьма необычные формы эрозии, называемые «паутинными оврагами». [104] Прозрачный лед CO 2 образуется зимой, и когда весенний солнечный свет нагревает поверхность, он испаряет CO 2 в газ, который течет вверх под полупрозрачным льдом CO 2 . Слабые места в этом льду ведут к гейзерам CO 2 . [104]
На марсианские штормы существенно влияют большие горные хребты Марса. [105] Отдельные горы, такие как рекордсмен Олимп (26 км (85 000 футов)) могут влиять на местную погоду, но более серьезные погодные эффекты обусловлены большим количеством вулканов в регионе Тарсис .
Одним из уникальных повторяющихся погодных явлений, связанных с горами, является спиральное облако пыли, которое формируется над горой Арсия . Спиральное облако пыли над горой Арсия может возвышаться над вулканом на высоту от 15 до 30 км (от 49 000 до 98 000 футов). [106] Облака присутствуют вокруг горы Арсия в течение всего марсианского года, достигая пика в конце лета. [107]
Облака, окружающие горы, демонстрируют сезонную изменчивость. Облака на горах Олимп и Акреас появляются в северном полушарии весной и летом, достигая общей максимальной площади примерно 900 000 км 2 и 1 000 000 км 2 соответственно поздней весной. Облака вокруг Альба-Патера и горы Павонис демонстрируют дополнительный, меньший пик в конце лета. Зимой облаков наблюдалось очень мало. Прогнозы Модели общей циркуляции Марса согласуются с этими наблюдениями. [107]
На северном и южном полюсах Марса есть ледяные шапки, состоящие в основном из водяного льда; однако на их поверхности присутствует замороженный углекислый газ ( сухой лед ). Сухой лед накапливается в северном полярном регионе ( Planum Boreum ) только зимой, полностью сублимируя летом, в то время как южный полярный регион дополнительно имеет постоянный сухой ледяной покров толщиной до восьми метров (25 футов). [108] Эта разница обусловлена более высокой высотой южного полюса.
Большая часть атмосферы может конденсироваться на зимнем полюсе, так что атмосферное давление может варьироваться до трети от своего среднего значения. Эта конденсация и испарение приведут к обратному изменению доли неконденсирующихся газов в атмосфере. [54] Эксцентриситет орбиты Марса влияет на этот цикл, а также на другие факторы. Весной и осенью ветер из-за процесса сублимации углекислого газа настолько силен, что может стать причиной упомянутых выше глобальных пылевых бурь. [109]
Северная полярная шапка имеет диаметр около 1000 км во время северного марсианского лета [110] и содержит около 1,6 миллиона кубических километров льда, толщина которого, если равномерно распределиться по шапке, составила бы 2 км. [111] (Для сравнения: объём ледникового щита Гренландии составляет 2,85 миллиона кубических километров .) Южная полярная шапка имеет диаметр 350 км и максимальную толщину 3 км. [112] В обеих полярных шапках имеются спиральные впадины, которые первоначально считались образовавшимися в результате дифференциального солнечного нагрева в сочетании с сублимацией льда и конденсацией водяного пара. [113] [114] Недавний анализ данных проникающего сквозь лед радара SHARAD продемонстрировал, что спиральные впадины образуются в результате уникальной ситуации, когда стоковые ветры высокой плотности спускаются с полярного максимума, перенося лед и создавая пласты с большой длиной волны. [115] [116] Спиральная форма возникает в результате эффекта Кориолиса, заставляющего ветры, очень похоже на то, как ветры на Земле спирализуются, образуя ураган. Впадины не образовались ни с одной ледяной шапкой; вместо этого они начали формироваться между 2,4 миллиона и 500 000 лет назад, после того, как сформировалось три четверти ледяной шапки. Это говорит о том, что климатический сдвиг способствовал их появлению. Обе полярные шапки сжимаются и отрастают заново в результате колебаний температуры в марсианские сезоны; существуют также долгосрочные тенденции, которые лучше понимаются в современную эпоху.
Весной в южном полушарии солнечный нагрев отложений сухого льда на южном полюсе местами приводит к накоплению сжатого газа CO 2 под поверхностью полупрозрачного льда, нагреваемого за счет поглощения радиации более темным субстратом. Достигнув необходимого давления, газ прорывается сквозь лед гейзерными шлейфами. Хотя извержения непосредственно не наблюдались, они оставляют следы в виде «темных пятен дюн» и более светлых вееров на поверхности льда, представляющих собой песок и пыль, поднятые в результате извержений, а также паукообразный узор из борозд, образовавшихся подо льдом. от выходящего газа. [117] [118] (см. Гейзеры на Марсе .) Считается, что извержения газообразного азота , наблюдаемые «Вояджером-2» на Тритоне , происходят по аналогичному механизму.
Обе полярные шапки в настоящее время накапливаются, подтверждая предсказание цикла Миланковича на временных интервалах ~ 400 000 и ~ 4 000 000 лет. Зондирование марсианского разведывательного орбитального аппарата SHARAD указывает на общий рост шапки примерно на 0,24 км 3 /год. Из этого количества 92%, или ~0,86 мм/год, направляется на север, [119] поскольку смещенная от Марса циркуляция Хэдли действует как нелинейный насос летучих веществ на север.
Марс потерял большую часть своего магнитного поля около четырех миллиардов лет назад. В результате солнечный ветер и космическое излучение напрямую взаимодействуют с марсианской ионосферой. Это делает атмосферу тоньше, чем она была бы в противном случае, из-за действия солнечного ветра, постоянно удаляющего атомы из внешнего атмосферного слоя. [120] Большая часть исторических потерь атмосферы на Марсе может быть связана с эффектом солнечного ветра. Текущая теория постулирует ослабление солнечного ветра, и поэтому сегодняшние эффекты разрушения атмосферы намного меньше, чем в прошлом, когда солнечный ветер был сильнее. [ нужна цитата ]
Марс имеет наклон оси 25,2°. Это означает, что на Марсе, как и на Земле, существуют времена года. Эксцентриситет орбиты Марса составляет 0,1, что намного больше, чем нынешний эксцентриситет орбиты Земли, составляющий около 0,02 . Большой эксцентриситет приводит к тому, что инсоляция на Марсе меняется по мере обращения планеты вокруг Солнца. (Марсианский год длится 687 дней, примерно 2 земных года.) Как и на Земле, наклон Марса доминирует над временами года, но из-за большого эксцентриситета зимы в южном полушарии длинные и холодные, а в северном — короткие и относительно холодные. теплый.
Сейчас считается, что лед накопился тогда, когда наклон орбиты Марса сильно отличался от нынешнего. (Ось, по которой вращается планета, имеет значительное «колебание», то есть ее угол меняется со временем.) [121] [122] [123] Несколько миллионов лет назад наклон оси Марса составлял 45 градусов вместо нынешнего. 25 градусов. Его наклон, также называемый наклоном, сильно варьируется, потому что две крошечные луны не могут стабилизировать его, как луну Земли.
Считается, что многие объекты на Марсе, особенно в четырехугольнике Исмениус Лакус, содержат большое количество льда. Самая популярная модель происхождения льда — изменение климата в результате больших изменений наклона оси вращения планеты. Иногда наклон даже превышал 80 градусов. [124] [125] Большие изменения в наклоне объясняют многие богатые льдом особенности Марса.
Исследования показали, что когда наклон Марса достигает 45 градусов с нынешних 25 градусов, лед на полюсах перестает быть стабильным. [126] Кроме того, при таком большом наклоне запасы твердого углекислого газа (сухого льда) сублимируются, тем самым увеличивая атмосферное давление. Повышенное давление позволяет удерживать больше пыли в атмосфере. Влага в атмосфере будет выпадать в виде снега или льда, замерзшего на пылинках. Расчеты показывают, что этот материал будет концентрироваться в средних широтах. [127] [128] Модели общей циркуляции марсианской атмосферы предсказывают скопления богатой льдом пыли в тех же областях, где обнаружены богатые льдом элементы. [125] Когда наклон начинает возвращаться к более низким значениям, лед сублимируется (превращается непосредственно в газ) и оставляет после себя отставание из пыли. [129] [130] Запаздывающие отложения покрывают нижележащий материал, поэтому с каждым циклом высоких уровней наклона позади остается некоторая богатая льдом мантия. [131] Обратите внимание, что гладкий поверхностный слой мантии, вероятно, представляет собой лишь относительно недавний материал. Ниже представлены изображения слоев этой гладкой мантии, которая время от времени падает с неба.
Прецессия в выравнивании наклона и эксцентриситета приводит к глобальному потеплению и похолоданию («великие» лето и зима) с периодом 170 000 лет. [132]
Как и Земля, наклон Марса претерпевает периодические изменения, которые могут привести к долгосрочным изменениям климата. Опять же, эффект более выражен на Марсе, потому что ему не хватает стабилизирующего влияния большой луны. В результате наклон может измениться на целых 45°. Жак Ласкар из Национального центра научных исследований Франции утверждает, что последствия этих периодических изменений климата можно увидеть в слоистой природе ледяной шапки на северном полюсе Марса. [133] Текущие исследования показывают, что Марс находится в теплом межледниковом периоде, который длился более 100 000 лет. [134]
Поскольку Mars Global Surveyor мог наблюдать Марс в течение 4 марсианских лет, было обнаружено, что марсианская погода из года в год была одинаковой. Любые различия были напрямую связаны с изменениями в солнечной энергии, достигшей Марса. Ученые даже смогли точно предсказать пыльные бури, которые возникнут во время приземления «Бигля-2» . Было обнаружено, что региональные пыльные бури тесно связаны с наличием пыли. [135]
За последние несколько марсианских лет произошли региональные изменения вокруг южного полюса ( Planum Australe ). В 1999 году Mars Global Surveyor сфотографировал ямы в слое замороженного углекислого газа на южном полюсе Марса. Из-за своей поразительной формы и ориентации эти косточки стали известны как особенности швейцарского сыра . В 2001 году аппарат снова сфотографировал те же ямы и обнаружил, что они стали больше, отступив примерно на 3 метра за один марсианский год. [136] Эти особенности вызваны сублимацией слоя сухого льда, в результате чего обнажается слой инертного водяного льда. Более поздние наблюдения показывают, что лед на южном полюсе Марса продолжает сублимировать. [137] Ямки во льду продолжают расти примерно на 3 метра в марсианский год. Малин утверждает, что условия на Марсе в настоящее время не способствуют образованию нового льда. В пресс-релизе НАСА указывается, что «изменение климата [происходит]» [138] на Марсе . В сводке наблюдений с помощью камеры Mars Orbiter исследователи предположили, что некоторое количество сухого льда могло отложиться между Mariner 9 и миссией Mars Global Surveyor . Учитывая нынешние темпы потерь, сегодняшние депозиты могут исчезнуть через сто лет. [135]
В других частях планеты в низких широтах больше водяного льда, чем должно было бы быть при нынешних климатических условиях. [139] [140] [141] Mars Odyssey «дает нам признаки недавнего глобального изменения климата на Марсе», — сказал Джеффри Плаут, научный сотрудник миссии в Лаборатории реактивного движения НАСА, в нерецензируемой опубликованной работе в 2003 году.
Колапрет и др. провели моделирование с использованием модели общей циркуляции Марса, которое показывает, что местный климат вокруг южного полюса Марса в настоящее время может находиться в нестабильном периоде. Смоделированная нестабильность коренится в географии региона, что заставляет авторов предполагать, что сублимация полярных льдов является локальным явлением, а не глобальным. [142] Исследователи показали, что даже при постоянной солнечной светимости полюса способны переключаться между состояниями отложения или потери льда. Поводом для смены состояний могло стать либо увеличение пылевой нагрузки в атмосфере, либо изменение альбедо из-за отложения водяного льда на полярной шапке. [143] Эта теория несколько проблематична из-за отсутствия отложения льда после глобальной пыльной бури 2001 года. [63] Другая проблема заключается в том, что точность модели общей циркуляции Марса снижается по мере того, как масштаб явления становится более локальным.
Утверждалось, что «наблюдаемые региональные изменения в южнополярном ледяном покрове почти наверняка вызваны региональным изменением климата, а не глобальным явлением, и явно не связаны с внешними воздействиями». [132] В статье для журнала Nature главный редактор новостей и статей Оливер Мортон сказал: «Потепление других солнечных тел было ухвачено климатическими скептиками. На Марсе потепление, похоже, сводится к тому, что пыль летает вокруг и обнажает большие пятна». из черной базальтовой породы, которая нагревается днем». [63] [144]
Хотя в нынешнем состоянии Марс непригоден для жизни людей, многие люди предлагают терраформировать Марс , чтобы изменить климат и сделать его более пригодным для жизни людей. Примечательно, что Илон Маск предложил взорвать ядерное оружие на ледяных шапках Марса, чтобы высвободить водяной пар и углекислый газ , что нагрело бы планету достаточно значительно, чтобы сделать ее пригодной для жизни людей. [145]
Зоны наземного климата впервые были определены Владимиром Кеппеном на основе распределения групп растительности. Классификация климата, кроме того, основана на температуре, количестве осадков и подразделяется на основе различий в сезонном распределении температуры и осадков; и отдельная группа существует для внезонального климата, например, на больших высотах. На Марсе нет ни растительности, ни осадков, поэтому любая классификация климата может быть основана только на температуре; дальнейшая доработка системы может осуществляться с учетом распределения пыли, содержания водяного пара, наличия снега. Для Марса также можно легко определить солнечные климатические зоны. [146]
Марсианская Одиссея 2001 года в настоящее время находится на орбите Марса и проводит измерения глобальной температуры атмосферы с помощью прибора TES. Марсианский разведывательный орбитальный аппарат в настоящее время ведет с орбиты ежедневные наблюдения за погодой и климатом. Один из ее инструментов, климатический зонд Марса , специализируется на наблюдениях за климатом. MSL был запущен в ноябре 2011 года и приземлился на Марсе 6 августа 2012 года. [147] Орбитальные аппараты MAVEN , Mangalyaan и TGO в настоящее время вращаются вокруг Марса и изучают его атмосферу.
{{cite web}}
: Внешняя ссылка |last=
( помощь )