Марс имеет атмосферу. Атмосфера Марса: давления или плотности? Из чего состоит атмосфера Марса
Марс, как и Венера - землеподобные планеты. У них очень много общего, но есть и отличия. Ученые не теряют надежды найти жизнь на Марсе, а также терраформировать этого «родственника» Земли, пускай и в далеком будущем. Для Красной планеты эта задача выглядит более простой, чем для Венеры. К сожалению, у Марса очень слабое магнитное поле, что усложняет ситуацию. Дело в том, что из-за почти полного отсутствия магнитного поля солнечный ветер оказывает очень сильное влияние на атмосферу планеты. Он вызывает диссипацию атмосферных газов, так что в сутки в космос уходит около 300 тонн атмосферных газов.
По мнению специалистов, именно солнечный ветер стал причиной рассеивания около 90% марсианской атмосферы в течение миллиардов лет. В итоге давление у поверхности Марса составляет 0,7-1,155 кПа (1/110 от земного, такое давление на Земле можно увидеть, поднявшись на высоту в тридцать километров от поверхности).
Атмосфера на Марсе состоит, преимущественно, из углекислого газа (95%) с небольшими примесями азота, аргона, кислорода и некоторых других газов. К сожалению, давление и состав атмосферы на Красной планете делает дыхание земных живых организмов невозможным на Красной планете. Вероятно, некоторые микроскопические организмы и смогут выжить, но и они не смогут чувствовать себя в таких условиях комфортно.
Состав атмосферы - не такая уж и проблема. Если бы атмосферное давление на Марсе составило бы половину или треть от земного, то колонисты или марсонавты смогли бы находиться в определенное время суток и года на поверхности планеты без скафандров, используя лишь аппарат для дыхания. Более комфортно на Марсе почувствовали бы себя и многие земные организмы.
В НАСА считают, что повысить давление атмосферы на соседе Земли можно, если защитить Марс от солнечного ветра. Такую защиту обеспечивает магнитное поле. На Земле оно существует благодаря так называемому механизму гидродинамического динамо. В жидком ядре планеты постоянно циркулируют потоки электропроводящего вещества (расплавленного железа), благодаря чему возбуждаются электрические токи, которые создают магнитные поля. Внутренние потоки в ядре земли ассиметричны, что обуславливает усиление магнитного поля. Магнитосфера Земли надежно защищает атмосферу от «выдувания» солнечным ветром.
Диполь по расчетам авторов проекта создания магнитного щита для Марса будет генерировать достаточно сильное магнитное поле, которое не допустит к планете солнечный ветер
К сожалению для человека, на Марсе (и Венере) нет постоянного мощного магнитного поля, фиксируются лишь слабые следы. Благодаря Mars Global Surveyor удалось обнаружить магнитное вещество под корой Марса. В НАСА считают, что эти аномалии образовались под влиянием некогда магнитного ядра и сохранили магнитные свойства даже после того, как сама планета утратила свое поле.
Где взять магнитный щит
Директор научного отдела НАСА Джим Грин считает, что естественное магнитное поле Марса восстановить нельзя, во всяком случае, сейчас или даже в очень отдаленном будущем человечеству это не по силам. А вот создать искусственное поле можно. Правда, не на самом Марсе, а рядом с ним. Выступая с докладом «Будущее окружающей среды Марса для исследований и науки» на мероприятии Planetary Science Vision 2050 Workshop, Грин предложил создать магнитный щит. Этот щит, Mars L1, по замыслу авторов проекта, закроет Марс от солнечного ветра, и планета начнет восстанавливать свою атмосферу. Расположить щит планируется между Марсом и Солнцем, где он находился бы на стабильной орбите. Создать поле планируется при помощи громадного диполя или же двух равных и противоположно заряженных магнитов.
На схеме НАСА показано, как магнитный щит будет защищать Марс от воздействия солнечного ветра
Авторы идеи создали несколько симуляционных моделей, каждая из которых показала, что в течение после запуска магнитного щита давление на Марсе достигнет половины земного. В частности, углекислый газ на полюсах Марса будет испаряться, переходя в газ из твердой фазы. С течением времени проявит себя парниковый эффект, на Марсе начнет теплеть, лед, который находится близко к поверхности планеты во многих ее местах, растает и планета покроется водой. Считается, что такие условия существовали на Марсе около 3,5 млрд лет назад.
Конечно, это проект не сегодняшнего дня, но, возможно, в будущем столетии люди смогут реализовать эту идею и терраформировать Марс, создав себе второй дом.
Атмосфера Марса , как и атмосфера Венеры, в основном состоит из углекислого газа, хотя и существенно тоньше. После обнаружения метана в 2003 г. исследования атмосферы возобновились с большим азартом. Наличие метана косвенно может указывать на наличие жизни на Марсе, хотя больше вероятности, что это следы вулканической или гидротермальной активности планеты.
Атмосфера на 96% состоит из двуокиси углерода, 2.1% из аргона и 1.9% из азота. Так же были найдены следы кислорода, метана, монооксида и двуокиси углерода,и небольшое количество водяного пара в виде холодных облаков. Концентрация углекислого газа на Марсе в 23 раза превышает земной показатель. Это делает невозможным существование любой жизни на Марсе. По крайне мере той жизни, к которой мы все привыкли на родной Земле.
Состав атмосферы Марса.
Состав атмосферы, а так же ее масса сильно колеблется в течение марсианского года. Зимой большая часть углекислого газа конденсируется в полярных шапках , поэтому атмосфера становится более разряженной. Летом же эта часть испаряется, и плотность атмосферы увеличивается.
Но и зимой и летом плотность атмосферы не настолько большая, чтобы сглаживать температурные колебания. В течение одного марсианского дня скачки температуры превышают 100 o C. Днем она поднимается до +30 o C, а ночью опускается до -80 o C. На полюсах минимальная температура опускается еще ниже, до -150 o C.
Атмосферное давление на Марсе составляет 600 Па. Для сравнения на Земле атмосферное давление составляет 101 Па, а на Венере огромные 9.3 МПа. На вулкане Олимп , самой высокой точкой на Марсе, атмосферное давление составляет жалкие 30 Па. А в самой глубой точке планеты, в равнине Эллада, достигает 1155 Па.
Наблюдения марсохода "Mars Exploration Rover" с поверхности Марса показали, что несмотря на разряженность атмосферы, воздух довольно пыльный. Марсианское небо постоянно окрашено с светло-коричневый и оранжевый цвет. Взвешенные частицы песка и пыли поднимаются на высоту 1.5 км. над поверхностью планеты и из-за низкого давления оседают довольно долго.
История атмосферы
Ученые полагают, что атмосфера Марса менялась в течение жизни планеты. Есть доказательства, что на планете были огромные океаны несколько миллиардов лет назад. Но в настоящее время вода может существовать только в виде пара или льда. Во-первых, атмосферное давление способно "удерживать" воду в жидком состоянии только в самых низких точках планеты. А во-вторых, средняя температура на поверхности составляет -63 o C, поэтому вода может существовать только в твердом состоянии.
Тем не менее, в начале своей истории Марс имел более благоприятные условия. В начале 2013 г. было объявлено, что атмосфера Марса была богата кислородом около 4 миллиардов лет назад (). Среди возможных причин истощения кислорода в атмосфере называют следующие:
- Постепенное разрушение атмосферы солнечным ветром.
- Столкновение с огромным метеоритом или кометой, имевшее катастрофические последствия для Марса.
- Низкая гравитация Марса, не позволяющая удержать атмосферу.
Потенциал для использования людьми
Как же человек может использовать атмосферу Марса? Этот вопрос задается все чаще, поскольку колонизация Марса сейчас уже не выглядит неосуществимой фантастической мечтой. Да, вопросов пока больше, чем ответов. Но и решать вопросы нужно по одному, а не все сразу.
Двуокись углерода из атмосферы Марса можно использовать для создания ракетного топлива для обратного полета на Землю. Есть несколько вариантов использования такого богатого объема CO 2 , один из них - процесс Сабатье. Этот химический процесс представляет собой реакцию двуоксида углерода с водородом при никелевом катализаторе. В результате этой реакции получается кислород и метан.
Реакция Сабатье уже "примеряется" учеными из НАСА для переработки углекислого газа на Международной космической станции, оставшегося после дыхания космонавтов. Поэтому на Марсе нам, возможно, и не понадобиться кислород в атмосфере - мы его произведем сами.
Марс, четвертая по удаленности от Солнца планета, уже длительное время является объектом пристального внимания мировой науки. Эта планета очень похожа на Землю за одним, маленьким, но судьбоносным, исключением - атмосфера Марса составляет не более одного процента от объема земной атмосферы. Газовая оболочка любой планеты является определяющим фактором, формирующим ее внешний вид и условия на поверхности. Известно, что все твердые миры Солнечной системы сформировались примерно в одинаковых условиях на расстоянии 240 млн. километров от Солнца. Если условия формирования Земли и Марса были практически одинаковыми, то почему же сейчас эти планеты настолько разные?
Все дело в размерах - Марс, сформированный из того же материала, что и Земля, имел когда-то жидкое и горячее металлическое ядро, как и наша планета. Доказательство - множество потухших вулканов на Но «красная планета» гораздо меньше Земли. А значит, и остывала она быстрее. Когда жидкое ядро окончательно остыло и затвердело, завершился процесс конвекции, а вместе с ним исчез и магнитный щит планеты - магнитосфера. Вследствие чего планета осталась беззащитной перед губительной энергией Солнца, и атмосфера Марса была практически полностью унесена солнечным ветром (гигантским потоком радиоактивных ионизированных частиц). «Красная планета» превратилась в безжизненную унылую пустыню…
Сейчас атмосфера на Марсе представляет собой тонкую разряженную газовую оболочку, не способную противостоять проникновению убийственной которая выжигает поверхность планеты. Тепловая релаксация Марса на несколько порядков меньше, чем аналогичный показатель, например, Венеры, чья атмосфера намного плотнее. Атмосфера Марса, имеющая слишком малое значение теплоемкости, формирует более резко выраженные среднесуточные показатели скорости ветра.
Состав атмосферы Марса характеризуется очень высоким содержанием (95%). Также атмосфера содержит азот (около 2,7%), аргон (примерно 1,6%) и незначительное количество кислорода (не более 0,13%). Атмосферное давление Марса в 160 раз превышает аналогичный показатель у поверхности планеты. В отличие от земной атмосферы, газовая оболочка здесь носит ярко выраженный изменчивый характер, обусловленный тем, что полярные шапки планеты, содержащие огромное количество углекислого газа, тают и намерзают в течение одного годового цикла.
По данным, полученным с исследовательского космического аппарата «Mars Express», атмосфера Марса содержит некоторое количество метана. Особенность этого газа заключается в его быстром разложении. Это значит, что где-то на планете должен находиться источник пополнения метана. Варианта здесь может быть всего два - либо геологическая активность, следы которой пока не обнаружены, либо жизнедеятельность микроорганизмов, что способно перевернуть наше представление о наличии очагов жизни в Солнечной системе.
Характерным эффектом марсианской атмосферы являются пылевые бури, которые могут бушевать месяцами. Это плотное воздушное покрывало планеты состоит преимущественно из углекислоты с незначительными вкраплениями кислорода и водяного пара. Такой затяжной эффект обусловлен крайне низкой гравитацией Марса, что позволяет даже сверхразряженной атмосфере поднимать с поверхности и удерживать длительное время миллиарды тонн пыли.
Характеристики:
Атмосфера Марса более разряжена, чем воздушная оболочка Земли. По составу она напоминает
атмосферу Венеры и на 95% состоит из углекислого газа. Около 4% приходится на долю азота и аргона. Кислорода и водяного
пара в марсианской атмосфере меньше 1% (Точный состав см ). Среднее давление атмосферы на уровне поверхности
около 6,1 мбар. Это в 15000 раз меньше, чем на Венере, и в 160 раз меньше, чем у поверхности Земли. В самых глубоких впадинах
давление достигает 10 мбар.
Средняя температура на Марсе значительно ниже чем на Земле, - около -40° С. При наиболее
благоприятных условиях летом на дневной половине планеты воздух прогревается до 20° С - вполне приемлемая температура
для жителей Земли. Но зимней ночью мороз может достигать до -125° С. При зимней температуре даже углекислота
замерзает,
превращаясь в сухой лед. Такие резкие перепады температуры вызваны тем, что разреженная атмосфера Марса не способна долго удерживать
тепло. Первые измерения температуры Марса с помощью термометра, помещённого в фокусе телескопа-рефлектора, проводились ещё
в начале 20-х годов. Измерения В. Лампланда в 1922 г. дали среднюю температуру поверхности Марса -28°С, Э. Петтит и С.
Никольсон получили в 1924 г. -13°С. Более низкое значение получили в 1960г. У. Синтон и Дж. Стронг: -43°С. Позднее, в 50-е
и 60-е гг. были накоплены и обобщены многочисленные измерения температур в различных точках поверхности Марса, в разные
сезоны и времена суток. Из этих измерений следовало, что днём на экваторе температура может доходить до +27°С, но уже к
утру до -50°С.
На Марсе существуют и температурные оазисы, в районах "озера" Феникс (плато Солнца) и земли
Ноя перепад температур составляет от -53° С до +22° С летом и от -103° С до -43° С зимой. Итак, Марс -
весьма холодный мир, однако климат там ненамного суровее, чем в Антарктиде. Когда первые фотографии с поверхности Марса,
сделанные “Викингом”, были переданы на Землю, ученые были очень сильно удивлены, увидев, что Марсианское небо не черное,
как это предполагалось, а розовое. Оказалось что пыль, висящая в воздухе, поглощает 40% поступающего солнечного цвета,
создавая цветной эффект.
Пылевые бури:
Одним из проявлений перепада температур
являются ветры. Над поверхностью
планеты часто дуют сильные ветры, скорость которых доходит до 100 м/с. Малая сила тяжести позволяет даже разреженным
потокам воздуха поднимать огромные облака пыли. Иногда довольно обширные области на Марсе бывают охвачены грандиозными
пылевыми бурями. Чаще всего они возникают вблизи полярных шапок. Глобальная пылевая буря на Марсе помешала фотографированию
поверхности с борта зонда "Маринер-9". Она бушевала с сентября 1971 по январь 1972 г., подняв в атмосферу на высоте более 10
км около миллиарда тонн пыли. Пылевые бури чаще всего бывают в периоды великих противостояний, когда лето в южном полушарии
совпадает с прохождением Марса через перигелий. Продолжительность бурь может достигать 50-100 суток. (Раньше меняющийся
цвет поверхности объяснялся ростом марсианских растений).
Пылевые дьяволы:
Пылевые смерчи - еще один пример процессов на Марсе, связанных с температурой.
Такие смерчи очень частые проявления на Марсе. Они поднимают в атмосферу пыль и возникают из-за разниц температур. Причина:
днем поверхность Марса достаточно нагревается (иногда и до положительных температур), но на высоте до 2х метров от
поверхности атмосфера остается такой же холодной. Такой перепад вызывает нестабильность, поднимая в воздух пыль - образуются
пылевые дьяволы.
Водяной пар:
Водяного пара в
марсианской атмосфере совсем немного, но при низких
давлении и температуре он находится в состоянии, близком к насыщению, и часто собирается в облака. Марсианские облака
довольно невыразительны по сравнению с земными. В телескоп видны только самые большие из них, но наблюдения с космических
кораблей показали, что на Марсе встречаются облака самых разнообразных форм и видов: перистые, волнистые, подветренные (вблизи
крупных гор и под склонами больших кратеров, в местах, защищенных от ветра). Над низинами - каньонами, долинами - и на
дне кратеров в холодное время суток часто стоят туманы. Зимой 1979 г. в районе посадки "Викинга-2" выпал тонкий слой снега,
который пролежал несколько месяцев.
Времена года:
На сегодняшний момент известно, что из всех планет Солнечной системы
Марс наиболее подобен Земле. Он сформировался
приблизительно 4,5 млрд. лет назад. Ось вращения Марса наклонена к его орбитальной плоскости приблизительно на 23,9°, что
сравнимо с наклоном земной оси, составляющим 23,4°, а потому там, как и на Земле, происходит смена сезонов. Ярче всего
сезонные изменения проявляются в полярных областях. В зимнее время полярные шапки занимают значительную площадь. Граница
северной полярной шапки может удалиться от полюса на треть расстояния до экватора, а граница южной шапки преодолевает
половину этого расстояния. Такая разница вызвана тем, что в северном полушарии зима наступает, когда Марс проходит через
перигелий своей орбиты, а в южном - когда через афелий. Из-за этого зима в южном полушарии холоднее, чем в северном.
И продолжительность каждого из четырех марсианских сезонов разнится в зависимости от его удаления от Солнца.
А потому в марсианском северном полушарии зима коротка и относительно «умеренна», а лето длинное, но прохладное. В южном
же наоборот - лето короткое и относительно теплое, а зима длинная и холодная.
С наступлением весны полярная шапка начинает "съеживаться", оставляя за собой постепенно
исчезающие островки льда. В то же время от полюсов к экватору распространяется так называемая волна потемнения. Современные
теории объясняют ее тем, что весенние ветры переносят вдоль меридианов большие массы грунта с различными отражательными
свойствами.
По-видимому, ни одна из шапок не исчезает полностью. До начала исследований Марса при
помощи межпланетных зондов предполагалось, что его полярные области покрыты застывшей водой. Более точные современные
наземные и космические измерения обнаружили в составе марсианского льда также замерзший углекислый газ. Летом он испаряется
и поступает в атмосферу. Ветры переносят его к противоположной полярной шапке, где он снова замерзает. Этим круговоротом
углекислого газа и разными размерами полярных шапок объясняется непостоянство давления марсианской атмосферы.
Марсианский день, называемый сол, составляет 24,6 часа, а его год
- 669 сол.
Влияние климата:
Первые попытки разыскать в марсианской почве прямые свидетельства наличия основы для жизни - жидкой воды и таких элементов,
как азот и сера, не принесли успеха. Экзобиологический эксперимент, проведенный на Марсе в 1976 году после посадки на его
поверхность американской межпланетной станции «Викинг», несшей на своем борту автоматическую биологическую лабораторию
(АБЛ), не принес доказательств существования жизни. Отсутствие органических молекул на изученной поверхности могло
быть вызвано интенсивным ультрафиолетовым излучением Солнца, так как у Марса нет защитного озонового слоя, и окисляющим
составом почвы. Поэтому верхний слой марсианской поверхности (толщиной около нескольких сантиметров) - бесплоден, хотя
существует предположение, что в более глубоких, подповерхностных, слоях сохранились условия, которые были миллиарды лет
назад. Определенным подтверждением этих предположений стали недавно обнаруженные на Земле на глубине 200 м микроорганизмы -
метаногены, питающиеся водородом и дышащие углекислым газом. Специально же проведенный учеными эксперимент доказал, что
подобные микроорганизмы могли бы выжить и в суровых марсианских условиях. Гипотеза о более теплом древнем Марсе с
открытыми водоемами - реками, озерами, а может, и морями, а также с более плотной атмосферой - обсуждается уже
более двух десятилетий, так как «обживать» столь негостеприимную планету, да еще при отсутствии воды, было
бы очень сложно. Для того чтобы на Марсе могла существовать жидкая вода, его атмосфера должна была бы очень сильно
отличаться от нынешней.
Переменчивый марсианский климат Современный Марс - очень негостеприимный мир. Разреженная атмосфера, к тому же
непригодная для дыхания, страшные пылевые бури, отсутствие воды и резкие перепады температуры в течение суток и года - всё
это свидетельствует о том, что заселить Марс будет не так-то просто. Но ведь когда-то на нём текли реки. Значит ли это, что
в прошлом на Марсе был другой климат?
|
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Гармонические колебания Физика формула частоты колебаний