Марс, с его заманчивыми красными пейзажами и непреложными просторами, всегда привлекал внимание и воображение ученых и любителей космоса. Однако, за всей его величественной красотой, скрывается загадочная атмосфера, которая проливает свет на прошлое, настоящее и будущее этой планеты.
В этой статье мы отправимся на путешествие, чтобы рассмотреть атмосферу Марса во всей ее сложности и загадочности. Мы будем раскрывать ее секреты, исследуя состав, структуру и эволюцию этого тонкого воздушного покрова. Вместе мы узнаем, какие газы заполняют марсианскую атмосферу и какие процессы происходят в ее недрах.
Общие сведения
Атмосфера Марса отличается от земной значительными особенностями. В сравнении с Землей, она является значительно более тонкой и растянутой в пространстве. Связано это с недостаточной силой притяжения на планете, неспособной удерживать плотный слой газа, который мы привыкли видеть здесь, на Земле. Вместо этого, атмосфера Марса расположена на высоте около 11 км, что составляет всего лишь около 9-10% от высоты земной атмосферы.
Основным компонентом марсианской атмосферы является углекислый газ. Этот газ составляет большую часть атмосферного состава Марса. В то же время, плотность атмосферы Марса крайне низкая – она более чем в 61 раз меньше средней плотности земной атмосферы. Такая низкая плотность создает уникальные воздушные явления, которые не встречаются на Земле.
Другой значительной особенностью марсианской атмосферы является ее воздействие солнечного ветра. Из-за отсутствия магнитного поля на Марсе, атмосфера подвержена постоянному воздействию солнечного ветра. В результате происходит процесс диссипации, при котором атмосферные газы уходят в космическое пространство. Это приводит к постепенной потере вещества атмосферы Марса и ее быстрому рассеиванию по сравнению с другими планетами.
История изучения
С начала XIX века астрономы начали исследовать атмосферу Марса с помощью спектрального анализа и наблюдений противостояний между Марсом и Землей, которые происходят примерно раз в 3 года. Эти исследования позволили определить состав атмосферы Марса, где более 95% составляет углекислый газ.
В начале 1920-х годов были проведены первые измерения температуры на поверхности Марса с использованием термометра, размещенного на фокусе телескопа. Дальнейшие измерения показали различные значения температуры, колеблющиеся от -43°C до -13°C. В 1960-х годах были получены первые оценки атмосферного давления на Марсе.
Запуск космических аппаратов к Марсу позволил провести прямые измерения параметров атмосферы. Например, динамика спускающихся аппаратов зависит от плотности атмосферы, что предоставляет информацию о изменении температуры и давления с высотой. Температурные профили атмосферы были получены с помощью спектроскопических методов и затменного зондирования.
Наиболее подробные данные о параметрах атмосферы Марса получены благодаря набору приборов Rover Environmental Monitoring Station (REMS), установленному на марсоходе Curiosity, а также благодаря космическому аппарату MAVEN, находящемуся на орбите Марса. MAVEN предназначен для изучения верхних слоев атмосферы Марса, взаимодействия с солнечным ветром и динамики рассеяния.
Строение
Из-за более слабой силы притяжения на Марсе по сравнению с Землей, атмосфера планеты обладает более плавными переходами плотности и давления, что приводит к более протяженной атмосфере по высоте. Высота однородной атмосферы на Марсе составляет около 11 км и аналогична концентрическим слоям в земной атмосфере.
В целом, атмосфера Марса может быть разделена на нижнюю и верхнюю части. Верхняя атмосфера, известная как аэрономический слой, начинается примерно на высоте 80 км над поверхностью планеты и характеризуется процессами ионизации и диссоциации. Изучению этой области посвящена наука, называемая аэрономия. Однако, обычно под атмосферой Марса понимается нижний слой.
Некоторые исследователи выделяют две основные области – гомосферу и гетеросферу. В гомосфере химический состав атмосферы не зависит от высоты, так как перемешивание происходит в результате турбулентных процессов переноса тепла и влаги. Однако, с увеличением высоты молекулярная диффузия становится более значимой, поскольку она обратно пропорциональна плотности атмосферы. Это основная особенность верхней оболочки, известной как гетеросфера, где происходит разделение компонентов атмосферы молекулярной диффузией. Граница между этими двумя областями, называемая турбопаузой, находится на высоте от 120 до 140 км.
Нижняя атмосфера
Нижняя атмосфера Марса, начиная от поверхности и простирающаяся до высоты 20-30 км, состоит из тропосферы, где температура уменьшается с увеличением высоты. Верхняя граница тропосферы варьирует в зависимости от времени года, и температурный градиент в этой области, известной как тропопауза, изменяется от 1 до 3 градусов на каждый километр, со средним значением 2,5 градуса на каждый километр.
Выше тропопаузы находится изотермическая область атмосферы, известная как стратомезосфера, которая простирается до высоты 100 км. В стратомезосфере средняя температура крайне низкая и составляет -133°С. В отличие от Земли, где стратосфера содержит большую часть атмосферного озона.
На Марсе концентрация озона крайне низкая. Озон распределен от высоты 50-60 км до самой поверхности планеты, где его концентрация достигает максимума.
Верхняя атмосфера
- Верхняя атмосфера Марса, также известная как термосфера, простирается от стратомезосферы до границы космоса. Внутри этой области находится ионосфера, которая характеризуется высокой степенью ионизации, вызванной солнечным излучением. Она начинается примерно на той же высоте, что и верхний слой атмосферы, и простирается на примерно 400 км.
- Термосфера заканчивается на высоте около 230 км, а последний слой называется экзобазой.
- За экзобазой начинается экзосфера.
Кроме того, существует хемосфера, которая не относится ни к нижней, ни к верхней атмосфере. В хемосфере происходят химические реакции под воздействием света. Из-за отсутствия на Марсе аналога озонового слоя Земли, хемосфера начинается на поверхности планеты и заканчивается на высоте 120 км.
Химический состав
Состав атмосферы Марса значительно отличается от состава атмосферы Земли. Главные компоненты атмосферы Марса включают около 95% углекислого газа (CO2), который является основным составляющим. Небольшое количество оксида углерода (CO) также присутствует в углекислом газе, но его доля очень мала и исследователи до сих пор пытаются разобраться в причинах его низкой концентрации.
- Азот (N2) составляет всего около 2,7% атмосферы Марса, однако он может существовать только в виде двойной молекулы и рассеивается под воздействием солнечного излучения.
- Аргон (Ar) занимает около 1,6% атмосферы Марса и состоит в основном из изотопа аргон-40.
- Кислород (O2) также присутствует на Марсе, но его концентрация ограничена верхними слоями атмосферы. Кислород образуется в результате разложения других веществ и перемещается в более низкие слои атмосферы, но его концентрация недостаточна для поддержания дыхания.
- Содержание озона (O3) в атмосфере Марса переменно и зависит от времени года, широты и полушария.
- Метан (CH4) присутствует на Марсе в небольшом количестве, и его происхождение остается загадкой. Возможные источники метана включают температурные факторы, а также активность бактерий и животных. Изучение метана представляет особый интерес для астробиологии, поскольку его обнаружение может указывать на наличие жизни на потенциально обитаемых планетах, хотя точные причины всплесков его концентрации на Марсе пока неизвестны.
- В атмосфере Марса также присутствуют органические соединения, такие как формальдегид (H2CO), хлороводород (HCl) и диоксид серы (SO2). Их наличие может указывать на отсутствие вулканической активности и термогенного метана.
- Несмотря на небольшое количество, вода присутствует в атмосфере Марса, но ее концентрация в несколько сотен раз меньше, чем в самых сухих районах Земли.
- Также атмосфера Марса наполнена мельчайшими пылевыми частицами, главным образом оксидом железа.
Погода на Марсе
Погода на Марсе очень динамичная и изменения происходят буквально каждый час
Температура
Летом на Марсе, особенно на экваторе, дневная температура может достигать приемлемых 20 °C, но ночью она резко падает до замораживающих -90 °C. Это огромная разница в 110 градусов за один день, что приводит к возникновению пылевых смерчей и мощных пылевых бурь, охватывающих всю планету на продолжительное время.
Зимние температуры на Марсе еще более экстремальны, опускаясь до ужасающих -140 °C.
Под воздействием таких низких температур углекислый газ в атмосфере замерзает, образуя сухой лед. На северном полюсе Марса зимой образуется метровый слой сухого льда, а южный полюс постоянно покрыт толстым восемьюметровым слоем сухого льда.
Облака и осадки
В связи с интенсивным солнечным излучением и солнечным ветром, на Марсе отсутствует жидкая вода, что приводит к отсутствию дождя на планете. Однако, время от времени, на Марсе возникают облака, а также происходит выпадение снега. Облака на Марсе имеют очень малую толщину и состоят из мельчайших частиц воды. В атмосфере планеты содержится ограниченное количество водяного пара. Изначально, могло показаться, что облака не могут существовать на Марсе.
Тем не менее, на Марсе существуют условия, которые способствуют образованию облаков. Из-за низких температур на планете, вода в этих облаках не превращается в дождь, а выпадает в виде снега в верхних слоях атмосферы. Исследователи многократно наблюдали этот процесс, и пока нет доказательств того, что снег достигает земной поверхности.
В 2008 году, марсоход “Феникс” зафиксировал необычные явления в приполярных областях Марса, что является удивительным, учитывая практически отсутствующую атмосферу планеты. Эти явления известны как вирги – полосы осадков, которые образуются под облаками и испаряются, не достигая поверхности планеты. Сначала ученые предполагали, что скорость осадков в виргах незначительна.
Однако в 2017 году, моделирование атмосферных процессов на Марсе показало, что во время пыльных бурь скорость падения частиц может достигать 10 м/с. Это связано с быстрым охлаждением марсианских облаков после заката, при скорости охлаждения около четырех градусов в час. Следовательно, в течение марсианских ночей, через несколько часов после полуночи, возможно возникновение сильных пыльных бурь.
Действительно, на Марсе были многократно зафиксированы случаи снегопадов. Например, зимой 1979 года в районе посадки “Викинга-2” наблюдался тонкий снежный покров, который сохранялся в течение нескольких месяцев.
Давление
На Марсе атмосферное давление значительно ниже, чем на Земле. Среднее атмосферное давление на Марсе составляет около 4,5 мм ртутного столба или 600 Паскалей. Это всего лишь около 1/169 от среднего давления на Земле. Сравнивая эти значения, можно понять, что атмосфера Марса является крайне разреженной и неспособной обеспечить нормальные условия для жизни человека.
Такое низкое атмосферное давление на Марсе создает ряд проблем для человеческого организма. Без специального скафандра или защитного средства, люди не могут выжить на поверхности Марса из-за отсутствия подходящих условий для дыхания и поддержания нормального функционирования организма. “Лимит Армстронга” играет здесь важную роль, поскольку на Марсе давление атмосферы настолько низкое, что вода начинает кипеть при обычной температуре человеческого тела. Это означает, что жидкая вода не может существовать на поверхности Марса, а вместо этого она переходит прямо в газообразное состояние.
Ветер и пылевые смерчи
На Марсе, пылевые бури представляют собой характерное атмосферное явление. Эти бури возникают из-за сильных ветров, которые на Марсе могут достигать скорости до 100 км/ч. Под воздействием этих ветров пыль из атмосферы поднимается на высоту до 50 км, вызывая формирование пылевых бурь на поверхности планеты. Особенно часто такие бури возникают в полярных регионах и длительностью составляют от 1,5 до 3 месяцев. Помимо пылевых бурь, на Марсе также возникают песчаные бури, отличие заключается в том, что в воздух поднимаются более крупные песчаные частицы, которые оседают на поверхности.
Вместе с ветром на Марсе существуют и другие опасные атмосферные явления, такие как смерчи. Подобно пылевым бурям, они поднимают песок и пыль в воздух, но в отличие от бурь, они распространяются на значительные расстояния в ширину и высоту, представляя более значительную угрозу. Хотя скорость смерчей на Марсе составляет всего 30 км/ч, из-за низкой плотности атмосферы они напоминают торнадо. Смерчи также известны как пылевые дьяволы. При наблюдении со спутника можно видеть, как они оставляют черные вихревые следы на светло-песчаной поверхности планеты.
Радиация
Марс является планетой с поверхностью, на которую падает значительное количество радиации из космического пространства. Отсутствие плотной атмосферы и магнитного поля на Марсе приводит к тому, что его поверхность находится под постоянным воздействием высокоэнергетических частиц солнечного и галактического происхождения.
Одним из главных источников радиации на Марсе является солнечное излучение, включая энергичные частицы солнечного ветра и солнечные вспышки. Когда эти частицы сталкиваются с атмосферой Марса или с поверхностью планеты, они создают потоки радиации, которые могут быть вредными для живых организмов.
Полярное сияние
Из-за отсутствия глобального магнитного поля, на Марсе высокоэнергетические частицы солнечного ветра без препятствий проникают в атмосферу, вызывая полярные сияния в ультрафиолетовом диапазоне во время солнечных вспышек. Это уникальное явление, связанное с магнитными аномалиями коры Марса, которое проявляется в виде концентрированного локализованного излучения. Полярные сияния на Марсе формируются на отдельных участках поверхности, не связанных с широтами, и движение электронов вдоль линий магнитного поля вызывает их свечение.
Возникновение полярного сияния связано с особыми условиями около границы между “открытыми” и “закрытыми” силовыми линиями магнитного поля. Наблюдения с помощью различных космических аппаратов, таких как “Марс Экспресс”, “MAVEN” и марсоход “Curiosity”, позволили регистрировать полярные сияния и получать важную информацию о составе верхней атмосферы Марса, её температуре и динамике. Кроме того, собственное свечение атмосферы вызывается экстремально ультрафиолетовым излучением Солнца и также предоставляет информацию о свойствах атмосферы Марса.
Парниковый эффект
При обсуждении Марса всегда уделяется внимание парниковому эффекту и его связи с возможным наличием жидкой воды в прошлом. Ученые изучали “речные” формации на поверхности планеты, но это не явилось исчерпывающим объяснением происхождения жидкой H2O, поэтому они стремились найти дополнительные факторы.
В период, когда Марс был молодым, его вулканы были активными и выбрасывали большое количество углекислого газа и метана. Под воздействием солнечных лучей метан разлагался, образуя водород и создавая “водородный парниковый эффект”. На определенном этапе концентрация этих газов достигла уровня, который позволил существованию озер, рек и даже океанов на поверхности Марса. Однако с течением времени атмосфера Марса постепенно истончалась и перестала поддерживать необходимые условия для существования жидкой воды.
В настоящее время на Марсе обнаруживается только водяной пар или лед. Процесс изменения агрегатного состояния воды происходит через сублимацию, минуя жидкую фазу. Это является уникальной особенностью в истории атмосферы Марса и пока не наблюдалось на других планетах. Эта научная теория требует дальнейших исследований для полного подтверждения.
Терраформирование
Главная цель терраформирования Марса – создание атмосферы с подходящим составом и давлением, наличие воды в жидкой форме, а также поддержание комфортной температуры. Это позволило бы установить на планете устойчивые экосистемы и обеспечить проживание людей без использования скафандров.Существует несколько предложенных методов терраформирования Марса. Одним из них является введение больших количеств газов, таких как фреон или перфторуглероды, в атмосферу Марса для усиления парникового эффекта и повышения температуры. Это может привести к таянию ледяных капсул на поверхности и высвобождению воды.
Другой метод включает использование спутников или зеркал, чтобы направить солнечное излучение на поверхность Марса и повысить ее температуру. Это поможет растопить лед и создать условия для жидкой воды.
Также было предложено использование генетически модифицированных растений, способных высвобождать кислород и приспосабливаться к марсианским условиям. Это могло бы помочь в создании атмосферы с подходящим составом для поддержки жизни.
Терраформирование Марса остается сферой научной фантазии и дискуссий.
В настоящее время, более реалистическим подходом является колонизация Марса с использованием жизнеобеспечивающих систем и технологий, чтобы создать обитаемые поселения для людей. Это позволит расширить наше понимание о жизни в космосе и подготовиться к будущему исследованию и колонизации других планет.
Вывод
Несмотря на вызовы, связанные с атмосферой Марса, ученые продолжают стремиться к пониманию этой планеты и искать возможности для будущих исследований и колонизации. Исследования атмосферы Марса не только расширяют наши знания о нашей соседней планете, но также вносят вклад в наше общее понимание атмосферных процессов и потенциала других планет в Солнечной системе.
