Кислород на Марсе: как сотворить атмосферу из «ничего»? Атмосфера Марса: тайна четвертой планеты Атмосфера на марсе для человека.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Проект DISCOVER-AQ - исследование атмосферы (NASA по-русски)

✪ NASA по-русски: 18.01.13 - видео-дайджест НАСА за неделю

✪ ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ МАССА [Новости науки и технологий]

✪ Марс, 1968, научно-фантастический киноочерк, режиссёр Павел Клушанцев

✪ 5 Signs of Life On Mars - The Countdown #37

Субтитры

Изучение

Атмосфера Марса была открыта ещё до полетов автоматических межпланетных станций к планете. Благодаря спектральному анализу и противостояниям Марса с Землёй, которые случаются 1 раз в 3 года, астрономы уже в XIX веке знали, что она имеет весьма однородный состав, более 95 % которого приходится на углекислый газ . При сравнении с 0,04% углекислого газа в атмосфере Земли получается, что масса марсианского атмосферного углекислого газа превосходит массу земного почти в 12 раз, так что при терраформировании Марса углекислотный вклад в парниковый эффект может создать комфортный для человека климат несколько раньше, чем будет достигнуто давление в 1 атмосферу, даже с учётом большей удалённости Марса от Солнца.

Ещё в начале 1920-х годов проводились первые измерения температуры Марса с помощью термометра, помещённого в фокусе телескопа-рефлектора . Измерения В. Лампланда в 1922 году дали среднюю температуру поверхности Марса 245 (−28 °C), Э. Петтит и С. Никольсон в 1924 году получили 260 K (−13 °C). Более низкое значение получили в 1960 году У. Синтон и Дж. Стронг: 230 K (−43 °C) . Первые оценки давления - усреднённого - были получены только в 60е гг с использованием наземных ИК-спектроскопов: полученное из лоренцева уширения линий углекислого газа давление 25±15 гПа означало, что именно он является основной составляющей атмосферы .

Скорость ветра можно определить по доплеровскому сдвигу спектральных линий. Так, для этого измерялся сдвиг линий в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне, причём измерения на интерферометре позволяют получить распределение скоростей в целом слое большой толщины .

Наиболее подробные и точные данные о температуре воздуха и поверхности, давлении, относительной влажности и скорости ветра непрерывно измеряются комплектом приборов Rover Environmental Monitoring Station (REMS) на борту марсохода Curiosity , работающего в кратере Гейла с 2012 г . А аппарат MAVEN , находящийся на орбите Марса с 2014 года, специально предназначен для подробного исследования верхних слоёв атмосферы, их взаимодействия с частицами солнечного ветра и в особенности динамики рассеяния .

Ряд процессов, сложных или пока невозможных для непосредственного наблюдения, подлежит лишь теоретическому моделированию, однако оно также является важным методом исследования.

Структура атмосферы

В целом атмосфера Марса подразделяется на нижнюю и верхнюю; последней считается область выше 80 км над поверхностью , где активную роль играют процессы ионизации и диссоциации. Её изучению посвящён раздел, который принято называть аэрономией . Обычно же когда говорят об атмосфере Марса, имеют в виду нижнюю атмосферу.

Также некоторые исследователи выделяют две крупные оболочки - гомосферу и гетеросферу. В гомосфере химический состав не зависит от высоты, поскольку процессы переноса тепла и влаги в атмосфере и их обмена по вертикали целиком определяются турбулентным перемешиванием. Так как молекулярная диффузия в атмосфере обратно пропорциональна ее плотности, то с некоторого уровня этот процесс становится преобладающим и является основной особенностью верхней оболочки - гетеросферы, где происходит молекулярное диффузное разделение. Граница раздела между этими оболочками, которая находится на высотах от 120 до 140 км, называется турбопаузой .

Нижняя атмосфера

От поверхности до высоты 20-30 км протягивается тропосфера , где температура падает с высотой. Верхняя граница тропосферы колеблется в зависимости от времени года (температурный градиент в тропопаузе меняется от 1 до 3 град/км при среднем значении 2,5 град/км) .

Над тропопаузой находится изотермическая область атмосферы - стратомезосфера , протягивающаяся до высоты 100 км. Средняя температура стратомезосферы исключительно низкая и составляет - 133°С. В отличие от Земли, где в стратосфере содержится преимущественно весь атмосферный озон , на Марсе его концентрация ничтожно мала (он распределен от высот 50 - 60 км до самой поверхности, где она максимальна) .

Верхняя атмосфера

Выше стратомезосферы простирается верхний слой атмосферы - термосфера . Для нее характерен рост температуры с высотой до максимального значения (200-350 K), после чего она остаётся постоянной до верхней границы (200 км) . В этом слое зарегистрировано присутствие атомарного кислорода; его плотность на высоте 200 км достигает 5-6⋅10 7 см −3 . Присутствие слоя с преобладанием атомарного кислорода (как и то, что основной нейтральной компонентой является углекислый газ) объединяет атмосферу Марса с атмосферой Венеры .

Ионосфера - область с высокой степенью ионизации - находится в интервале высот примерно от 80-100 до порядка 500-600 км. Содержание ионов минимально ночью и максимально днем, когда основной слой формируется на высоте 120-140 км за счёт фотоионизации углекислого газа экстремально ультрафиолетовым излучением Солнца СО 2 + hν → СО 2 + + e - , а также реакций между ионами и нейтральными веществами СО 2 + + O → О 2 + + CO и О + + СО 2 → О 2 + + CO. Концентрация ионов, из которых 90 % O 2 + и 10 % СO 2 + , достигает 10 5 на кубический сантиметр (в остальных областях ионосферы она на 1-2 порядка ниже) . Примечательно, что ионы O 2 + преобладают при практически полном отсутствии в атмосфере Марса собственно молекулярного кислорода . Вторичный слой образуется в районе 110-115 км за счёт мягкого рентгеновского излучения и выбитых быстрых электронов . На высоте 80-100 км некоторыми исследователями выделяется третий слой, иногда проявляющийся под воздействием частиц космической пыли, привносящих в атмосферу ионы металлов Fe + , Mg + , Na + . Однако позднее было не только подтверждено появление последних (причём практически по всему объёму верхней атмосферы) вследствие абляции вещества попадающих в атмосферу Марса метеоритов и других космических тел , но и вообще постоянное их присутствие. При этом из-за отсутствия у Марса магнитного поля их распределение и поведение значительно отличаются от того, что наблюдается в земной атмосфере . Над главным максимумом могут появляться благодаря взаимодействию с солнечным ветром и другие дополнительные слои. Так, слой ионов O + наиболее выражен на высоте 225 км. Помимо трёх основных видов ионов (O 2 + , СO 2 и O +), относительно недавно были зарегистрированы также H 2 + , H 3 + , He + , C + , CH + , N + , NH + , OH + , H 2 O + , H 3 O + , N 2 + /CO + , HCO + /HOC + /N 2 H + , NO + , HNO + , HO 2 + , Ar + , ArH + , Ne + , CO 2 ++ и HCO 2 + . Выше 400 км некоторые авторы выделяют «ионопаузу», однако на этот счёт пока нет единого мнения .

Что касается температуры плазмы, то вблизи главного максимума температура ионов составляет 150 К, увеличиваясь до 210 К на высоте 175 км. Выше термодинамическое равновесие ионов с нейтральным газом существенно нарушается, и их температура резко возрастает до 1000 К на высоте 250 км. Температура электронов может составлять несколько тысяч кельвин, по всей видимости, из-за магнитного поля в ионосфере, причём она растёт с увеличением зенитного угла Солнца и неодинакова в северном и южном полушариях, что, возможно, связано с асимметрией остаточного магнитного поля коры Марса. Вообще можно даже выделить три популяции высокоэнергетических электронов с различными температурными профилями. Магнитное поле влияет и на горизонтальное распределение ионов: над магнитными аномалиями формируются потоки высокоэнергетических частиц, закручивающиеся вдоль линий поля, что увеличивает интенсивность ионизации, и наблюдается повышенная плотность ионов и локальные структуры .

На высоте 200-230 км находится верхняя граница термосферы - экзобаза, над которой примерно с высоты 250 км начинается экзосфера Марса. Она состоит из лёгких веществ - водорода , углерода , кислорода , - которые появляются в результате фотохимических реакций в нижележащей ионосфере, например, диссоциативной рекомбинации O 2 + с электронами . Непрерывное снабжение верхней атмосферы Марса атомарным водородом происходит за счет фотодиссоциации водяного пара у марсианской поверхности. Ввиду очень медленного уменьшения концентрации водорода с высотой этот элемент является основным компонентом самых внешних слоев атмосферы планеты и образует водородную корону , простирающуюся на расстояние около 20 000 км , хотя строгой границы нет, и частицы из этой области просто постепенно рассеиваются в окружающее космическое пространство .

В атмосфере Марса также иногда выделяется хемосфера - слой, где происходят фотохимические реакции, а так как из-за отсутствия озонового экрана, как у Земли, ультрафиолетовое излучение доходит до самой поверхности планеты, они возможны даже там. Марсианская хемосфера простирается от поверхности до высоты около 120 км .

Химический состав нижней атмосферы

Несмотря на сильную разрежённость марсианской атмосферы, концентрация углекислого газа в ней примерно в 23 раза больше, чем в земной .

• Азот (2,7 %) в настоящее время активно диссипирует в космос. В виде двухатомной молекулы азот устойчиво удерживается притяжением планеты, но расщепляется солнечным излучением на одиночные атомы, легко покидая атмосферу.
• Аргон (1,6 %) представлен относительно устойчивым к диссипации тяжелым изотопом аргон-40. Легкие 36 Ar и 38 Ar имеются лишь в миллионных долях
• Другие благородные газы : неон , криптон , ксенон (миллионные доли)
• Оксид углерода (СО) - является продуктом фотодиссоциации СО 2 и составляет 7,5⋅10 -4 концентрации последнего - это необъяснимо малое значение, поскольку обратная реакция CO + O + M → СО 2 + M запрещена, и должно было бы накопиться гораздо больше CO. Предлагались различные теории, как угарный газ может всё же окисляться до углекислого, но все они имеют те или иные недостатки .
• Молекулярный кислород (O 2) - появляется в результате фотодиссоциации как CO 2 , так и Н 2 О в верхней атмосфере Марса. При этом кислород диффундирует в более низкие слои атмосферы, где его концентрация достигает 1,3⋅10 -3 от приповерхностной концентрации С0 2 . Как и Ar, CO и N 2 , он относится к неконденсирующимся на Марсе веществам, поэтому его концентрация также претерпевает сезонные вариации. В верхней атмосфере, на высоте 90-130 км, содержание O 2 (доля относительно CO 2) в 3-4 раза превышает соответствующее значение для нижней атмосферы и составляет в среднем 4⋅10 -3 , изменяясь в диапазоне от 3,1⋅10 -3 до 5,8⋅10 -3 . В древности атмосфера Марса содержала, однако, большее количество кислорода, сопоставимое с его долей на юной Земле. Кислород даже в виде отдельных атомов уже не так активно диссипирует, как азот, в силу б́ольшего атомного веса, что позволяет ему накапливаться.
• Озон - его количество сильно меняется в зависимости от температуры поверхности : оно минимально во время равноденствия на всех широтах и максимально на полюсе, где зима, кроме того, обратно пропорционально концентрации водяного пара. Присутствует один выраженный озоновый слой на высоте около 30 км и другой - между 30 и 60 км .
• Вода. Содержание H 2 O в атмосфере Марса примерно в 100-200 раз меньше, чем в атмосфере самых сухих регионов Земли, и составляет в среднем 10-20 мкм осажденного столба воды. Концентрация водяного пара претерпевает существенные сезонные и суточные вариации . Степень насыщения воздуха парами воды обратно пропорциональна содержанию частиц пыли, являющихся центрами конденсации, и в отдельных областях (зимой, на высоте 20-50 км) был зафиксирован пар, давление которого превышает давление насыщенного пара в 10 раз - намного больше, чем в земной атмосфере .
• Метан . Начиная с 2003 года, появляются сообщения о регистрации выбросов метана неизвестной природы , однако ни одно из них нельзя считать достоверным из-за тех или иных недостатков методов регистрации. При этом речь идёт о крайне малых величинах - 0,7 ppbv (верхний предел - 1,3 ppbv) в качестве фонового значения и 7 ppbv для эпизодических всплесков, что находится на грани разрешимости. Поскольку наряду с этим публиковалась и информация о подтверждённом другими исследованиями отсутствии CH 4 , это может свидетельствовать о каком-либо непостоянном источнике метана, а также о существовании некоего механизма его быстрого разрушения, тогда как длительность фотохимического разрушения этого вещества оценивается в 300 лет. Дискуссия по этому вопросу в настоящий момент открыта, причём он представляет особенный интерес в контексте астробиологии , ввиду того, что на Земле это вещество имеет биогенное происхождение .
• Следы некоторых органических соединений . Наиболее важны верхние ограничения на H 2 CO, HCl и SO 2 , которые свидетельствуют об отсутствии, соответственно, реакций с участием хлора , а также вулканической активности, в частности, о невулканическом происхождении метана, если его существование будет подтверждено .

Состав и давление атмосферы Марса делают невозможным дыхание человека и других земных организмов . Для работы на поверхности планеты необходим скафандр, хотя и не настолько громоздкий и защищенный, как для Луны и открытого космоса. Атмосфера Марса сама по себе не ядовита и состоит из химически инертных газов. Атмосфера несколько тормозит метеоритные тела, поэтому кратеров на Марсе меньше чем на Луне и они менее глубокие. А микрометеориты сгорают полностью, не достигая поверхности.

Вода, облачность и осадки

Низкая плотность не мешает атмосфере формировать масштабные явления, влияющие на климат .

Водяного пара в марсианской атмосфере не более тысячной доли процента, однако по результатам недавних (2013 г.) исследований, это всё же больше, чем предполагалось ранее, и больше, чем в верхних слоях атмосферы Земли , и при низких давлении и температуре он находится в состоянии, близком к насыщению, поэтому часто собирается в облака. Как правило, водяные облака формируются на высотах 10-30 км над поверхностью. Они сосредоточены в основном на экваторе и наблюдаются практически на протяжении всего года . Облака, наблюдаемые на высоких уровнях атмосферы (более 20 км), образуются в результате конденсации CO 2 . Этот же процесс ответствен за формирование низких (на высоте менее 10 км) облаков полярных областей в зимний период, когда температура атмосферы опускается ниже точки замерзания CO 2 (-126 °С); летом же формируются аналогичные тонкие образования из льда Н 2 О

• Одно из интересных и редких на Марсе атмосферных явлений было обнаружено («Викингом-1 ») при фотографировании северной полярной области в 1978 г. Это циклонические структуры, четко отождествляемые на фотографиях по вихревидным системам облаков с циркуляцией против часовой стрелки. Они были обнаружены в широтном поясе 65-80° с. ш. в течение «теплого» периода года, с весны до начала осени, когда здесь устанавливается полярный фронт. Его возникновение обусловлено существующим в это время года резким контрастом температур поверхности между краем ледяной шапки и окружающими равнинами. Связанные с таким фронтом волновые движения воздушных масс и приводят к появлению столь знакомых нам по Земле циклонических вихрей. Обнаруженные на Марсе системы вихревидных облаков по размеру колеблются от 200 до 500 км, скорость их перемещения около 5 км/ч, а скорость ветров на периферии этих систем около 20 м/с. Длительность существования отдельного циклонического вихря колеблется от 3 до 6 сут. Величины температур в центральной части марсианских циклонов свидетельствуют о том, что облака состоят из кристалликов льда воды .

  Снег действительно наблюдался неоднократно . Так, зимой 1979 г. в районе посадки «Викинга-2 » выпал тонкий слой снега, который пролежал несколько месяцев .

  Пылевые бури и пылевые дьяволы

  Характерная особенность атмосферы Марса - постоянное присутствие пыли; согласно спектральным измерениям, размер пылевых частиц оценивается в 1,5 мкм . Малая сила тяжести позволяет даже разреженным потокам воздуха поднимать огромные облака пыли на высоту до 50 км. А ветры, являющиеся одним из проявлений перепада температур, часто дуют над поверхностью планеты (особенно в конце весны - начале лета в южном полушарии, когда разница температур между полушариями особенно резкая ), и их скорость доходит до 100 м/с. Таким образом формируются обширные пылевые бури, давно наблюдаемые в виде отдельных желтых облаков, а иногда в виде сплошной желтой пелены, охватывающей всю планету. Чаще всего пылевые бури возникают вблизи полярных шапок, их продолжительность может достигать 50-100 суток. Слабая желтая мгла в атмосфере, как правило, наблюдается после крупных пылевых бурь и без труда обнаруживается фотометрическими и поляриметрическими методами .

  Пылевые бури, хорошо наблюдавшиеся на снимках, сделанных с орбитальных аппаратов, оказались слабозаметными при съемке с посадочных аппаратов. Прохождение пылевых бурь в местах посадок этих космических станций фиксировалось лишь по резкому изменению температуры, давления и очень слабому потемнению общего фона неба. Слой пыли, осевшей после бури в окрестностях мест посадок «Викингов», составил лишь несколько микрометров. Все это свидетельствует о довольно низкой несущей способности марсианской атмосферы .

  С сентября 1971 по январь 1972 г. на Марсе происходила глобальная пылевая буря, которая даже помешала фотографированию поверхности с борта зонда «Маринер-9 » . Масса пыли в столбе атмосферы (при оптической толщине от 0,1 до 10), оцененная в этот период, составляла от 7,8⋅10 -5 до 1,66⋅10 -3 г/см 2 . Таким образом, общий вес пылевых частиц в атмосфере Марса за период глобальных пылевых бурь может доходить до 10 8 - 10 9 т, что соизмеримо с общим количеством пыли в земной атмосфере .

  • Полярное сияние впервые было зарегистрировано УФ-спектрометром SPICAM на борту аппарата «Марс Экспресс» . Затем оно неоднократно наблюдалось аппаратом «MAVEN », например, в марте 2015 года , а в сентябре 2017 года детектором оценки радиации (RAD) на марсоходе «Curiosity » было зафиксировано гораздо более мощное событие . Анализ данных аппарата «MAVEN» выявил и полярные сияния принципиально иного типа - диффузные, которые имеют место на низких широтах, в областях, не привязанных к аномалиям магнитного поля и вызываемых проникновением в атмосферу частиц с очень высокой энергией, порядка 200 кэВ .

    Кроме того, экстремально ультрафиолетовое излучение Солнца вызывает так называемое собственное свечение атмосферы (англ. airglow ).

    Регистрация оптических переходов при полярных сияниях и собственном свечении даёт важную информацию о составе верхней атмосферы, её температуре и динамике. Так, изучение γ- и δ-полос излучения оксида азота в ночной период помогает охарактеризовать циркуляцию между освещённой и неосвещённой областями. А регистрация излучения на частоте 130,4 нм при собственном свечении помогло выявить присутствие атомарного кислорода высокой температуры, что стало важным шагом в понимании поведения атмосферных экзосфер и корон в целом .

    Цвет

    Частицы пыли, которыми наполнена атмосфера Марса, состоят в основном из оксида железа, и он придаёт ей красновато-рыжий оттенок .

    Согласно данным измерений, атмосфера имеет оптическую толщину 0,9 - это означает, что до поверхности Марса сквозь его атмосферу доходит только 40 % падающего солнечного излучения, а остальные 60 % поглощаются висящей в воздухе пылью. Без неё марсианские небеса имели бы приблизительно тот же цвет, как у земного неба на высоте 35 километров . Следует заметить, что при этом человеческий глаз адаптировался бы к этим цветам, и баланс белого автоматически подстроился бы так, что небо виделось бы таким же, как при земных условиях освещения.

    Цвет неба весьма неоднороден, и в отсутствие облаков или пыльных бурь от относительно светлого на горизонте резко и градиентно темнеет к зениту. В относительно спокойный и безветренный сезон, когда пыли меньше, в зените небо может быть совсем чёрным.

    Тем не менее - благодаря снимкам марсоходов стало известно, что на закате и восходе вокруг Солнца небо окрашивается в голубой цвет. Причина этому рассеяние РЭЛЕЯ - свет рассеивается на частицах газа и окрашивает небо, но если марсианским днём эффект слаб и незаметен невооруженным глазом из-за разряжённости атмосферы и запылённости, то на закате солнце просвечивает намного более толстый слой воздуха, благодаря чему начинают рассеиваться синяя и фиолетовая составляющие. Тот же механизм отвечает за голубое небо на Земле днём и желто-оранжевое на закате. [ ]

    Панорама печаных дюн Рокнест, составленная из снимков марсохода Curiosity.

    Изменения

    Изменения в верхних слоях атмосферы носят довольно сложный характер, так как они связаны между собой и с нижележащими слоями. Распространяющиеся вверх атмосферные волны и приливы могут оказывать существенное влияние на структуру и динамику термосферы и, как следствие, ионосферы, например, высоту верхней границы ионосферы. Во время пылевых бурь в нижней атмосфере её прозрачность уменьшается, она нагревается и расширяется. Тогда увеличивается плотность термосферы - она может варьироваться даже на порядок, - и высота максимума концентрации электронов может подняться на величину до 30 км. Вызванные пылевыми бурями изменения в верхней атмосфере могут быть глобальными, затрагивая области до 160 км над поверхностью планеты. Отклик верхней атмосферы на эти явления занимает несколько дней, а в прежнее состояние она возвращается гораздо дольше - несколько месяцев. Ещё одно проявление взаимосвязи верхней и нижней атмосферы заключается в том, что водяной пар, которым, как выяснилось, перенасыщена нижняя атмосфера, может подвергаться фотодиссоциации на более лёгкие компоненты H и O, увеличивающие плотность экзосферы и интенсивность потери воды атмосферой Марса. Внешние факторы, вызывающие изменения в верхней атмосфере, - это экстремально ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение Солнца, частицы солнечного ветра, космическая пыль и более крупные тела, такие как метеориты . Задача осложняется тем, что их воздействие, как правило, случайно, и его интенсивность и продолжительность невозможно прогнозировать, причём на эпизодические явления накладываются циклические процессы, связанные с изменением времени суток, времени года, а также солнечным циклом . На настоящий момент по динамике параметров атмосферы в лучшем случае имеется накопленная статистика событий, но теоретическое описание закономерностей ещё не выполнено. Определенно установлена прямая пропорциональность между концентрацией частиц плазмы в ионосфере и солнечной активностью. Это подтверждается тем, что аналогичная закономерность была реально зафиксирована по результатам наблюдений в 2007-2009 гг для ионосферы Земли , несмотря на принципиальное различие магнитного поля этих планет, непосредственно влияющего на ионосферу. А выбросы частиц солнечной короны, вызывая изменение давления солнечного ветра, также влекут за собой характерное сжатие магнитосферы и ионосферы : максимум плотности плазмы опускается до 90 км .

    Суточные колебания

    Несмотря на свою разреженность, атмосфера тем не менее реагирует на изменение потока солнечного тепла медленнее, чем поверхность планеты. Так, в утренний период температура сильно меняется с высотой: была зафиксирована разница в 20° на высоте от 25 см до 1 м над поверхностью планеты. С восходом Солнца холодный воздух нагревается от поверхности и поднимается в виде характерного завихрения вверх, поднимая в воздух пыль - так образуются пылевые дьяволы . В приповерхностном слое (до 500 м высотой) имеет место температурная инверсия. После того, как атмосфера к полудню уже нагрелась, этого эффекта уже не наблюдается. Максимум достигается примерно в 2 часа в после полудня. Затем поверхность остывает быстрее, чем атмосфера, и наблюдается обратный температурный градиент. Перед заходом Солнца же температура снова убывает с высотой .

    Смена дня и ночи влияет и на верхнюю атмосферу. Прежде всего, в ночное время прекращается ионизация солнечным излучением, однако плазма продолжает первое время после захода Солнца пополняться за счёт потока с дневной стороны, а затем формируется за счёт ударов электронов, движущихся вниз вдоль линий магнитного поля (так называемое вторжение электронов) - тогда максимум наблюдается на высоте 130-170 км. Поэтому плотность электронов и ионов с ночной стороны гораздо ниже и характеризуется сложным профилем, зависящим также от локального магнитного поля и изменяющимся нетривиальным образом, закономерность которого пока не до конца понята и описана теоретически . На протяжении дня состояние ионосферы также меняется в зависимости от зенитного угла Солнца .

    Годовой цикл

    Как и на Земле, на Марсе происходит смена времен года из-за наклона оси вращения к плоскости орбиты, поэтому зимой в северном полушарии полярная шапка растет, а в южном почти исчезает, а через полгода полушария меняются местами. При этом из-за достаточно большого эксцентриситета орбиты планеты в перигелии (зимнее солнцестояние в северном полушарии) она получает до 40 % больше солнечного излучения, чем в афелии , и в северном полушарии зима короткая и относительно умеренная, а лето длинное, но прохладное, в южном же наоборот - лето короткое и относительно теплое, а зима длинная и холодная. В связи с этим южная шапка зимой разрастается до половины расстояния полюс-экватор, а северная - только до трети. Когда на одном из полюсов наступает лето, углекислый газ из соответствующей полярной шапки испаряется и поступает в атмосферу; ветры переносят его к противоположной шапке, где он снова замерзает. Таким образом происходит круговорот углекислого газа, который наряду с разными размерами полярных шапок вызывает изменение давления атмосферы Марса по мере его обращения вокруг Солнца . За счёт того, что зимой до 20-30 % всей атмосферы замерзает в полярной шапке, давление в соответствующей области соответственно падает .

    Сезонные вариации (как и суточные) претерпевает также концентрация водяного пара - они находятся в пределах 1-100 мкм. Так, зимой атмосфера практически «сухая». Водяной пар появляется в ней весной, и к середине лета его количество достигает максимума, следуя за изменениями температуры поверхности. В течение периода лето - осень водяной пар постепенно перераспределяется, причем максимум содержания его перемещается от северной полярной области к экваториальным широтам. При этом общее глобальное содержание пара в атмосфере (по данным «Викинга-1») остается приблизительно постоянным и эквивалентным 1,3 км 3 льда. Максимальное содержание Н 2 О (100 мкм осажденной воды, равное 0,2 объемных %) было зафиксировано летом над темным районом, опоясывающим северную остаточную полярную шапку - в это время года атмосфера надо льдом полярной шапки обычно близка к насыщению .

    В весенне-летний период в южном полушарии, когда наиболее активно формируются пылевые бури, наблюдаются суточные или полусуточные атмосферные приливы - увеличение давления у поверхности и термическое расширение атмосферы в ответ на её нагрев .

    Смена времён года оказывает влияние и на верхнюю атмосферу - как нейтральную компоненту (термосферу), так и плазму (ионосферу), причём этот фактор должен учитываться вместе с солнечным циклом, и это усложняет задачу описания динамики верхней атмосферы .

    Долгосрочные изменения

    См. также

    Примечания

    1. Williams, David R. Mars Fact Sheet (неопр.) . National Space Science Data Center . NASA (September 1, 2004). Дата обращения 28 сентября 2017.
    2. N. Mangold, D. Baratoux, O. Witasse, T. Encrenaz, C. Sotin. Mars: a small terrestrial planet : [англ. ] // The Astronomy and Astrophysics Review. - 2016. - Т. 24, № 1 (16 December). - С. 15. - DOI :10.1007/s00159-016-0099-5 .
    3. Атмосфера Марса (неопр.) . UNIVERSE-PLANET // ПОРТАЛ В ДРУГОЕ ИЗМЕРЕНИЕ
    4. Марс - красная звезда. Описание местности. Атмосфера и климат (неопр.) . galspace.ru - Проект "Исследование Солнечной системы" . Дата обращения 29 сентября 2017.
    5. (англ.) Out of Thin Martian Air Astrobiology Magazine , Michael Schirber, 22 Август 2011.
    6. Максим Заболоцкий. Общие сведения об атмосфере Марса (неопр.) . Spacegid.com (21.09.2013). Дата обращения 20 октября 2017.
    7. Mars Pathfinder - Science  Results - Atmospheric and Meteorological Properties (неопр.) . nasa.gov . Дата обращения 20 апреля 2017.
    8. J. L. Fox, A. Dalgarno. Ionization, luminosity, and heating of the upper atmosphere of Mars: [англ. ] // J Geophys Res. - 1979. - Т. 84, вып. A12 (1 December). - С. 7315–7333. -

Приближается эра колонизации Марса. NASA запланировало первую экспедицию на Красную Планету летом 2020 года и на нее было выделено около двух миллиардов долларов США. На фоне этого появилась потребность добывать кислород, который в прямом смысле жизненно необходим для пребывания астронавтов на космической станции. Расчеты показали, что транспортировка основного для жизнедеятельности человека газа с Земли обходится слишком дорого. Это послужило стартом размышлений ученых на тему: есть ли кислород на марсе и, если его недостаточно, то как его «изобрести».

Сколько кислорода в атмосфере Марса?

Опережая события, сразу обозначим: кислород на Марсе есть, однако в чистом виде его количество составляет только 0,13%. Вдохнув один раз марсианского воздуха, человек погибнет мгновенно. Большая часть кислорода в Красной Планеты существует в виде углекислого газа, который на 95% составляет атмосферу Марса. Оставшаяся часть это:

• 1,6% аргона;
• 3% азота;
• 0,27% — остатки водяного пара и прочие газы.

Также кислород может существовать в виде оксида железа, который придает планете красный цвет.

Однако ученые предполагают, что очень давно, газы, окружающие Марс обладали гораздо большим объемом кислорода, и что единственная причина, по которой Земля не превратилась в Красную Планету – растения, который постоянно вбирают в себя углерод из углекислого газа. Именно экосистема вырабатывает тот воздух, которым мы дышим. Если бы Марс был ближе к Солнцу (достаточно теплый для жидкой воды) и достаточно большой, чтобы удерживать более плотную атмосферу, там могли бы расти растения, подобные тем, что растут на Земле. Но в нынешних условиях растениям понадобились бы специальные купола, отопление, вода и искусственный свет.

Как можно получить кислород на Марсе

Учитывая то, что кислород на Марсе нетипичное явление, ученые решают проблему с его воспроизводством. Было предложено 3 основных способа, позволяющих вырабатывать воздух на Красной Планете:

• При помощи бактерий, способных поглощать из углекислого газа воздух.
• Топливный элемент, предложенный Массачусетским технологическим институтом MOXIE.
• Применение низкотемпературной плазмы, которая способна при помощи частиц, содержащихся в ионизированном газе извлекать ионы кислорода.

Воздух на Марсе необходим для бесперебойной работы научно – исследовательской станции. Его воспроизводство позволит астронавтам не только дышать, но и заправлять ракеты для возвращения на Землю. Учитывая то, что состав марсианского воздуха и атмосферы значительно отличается от земного, а транспортировка обойдется очень дорого, перечисленные способы получения O2 станут по – настоящему главным событием в освоении новых планет.

Бактерии для создания кислорода

А теперь подробно разберем способы добычи воздуха на Марсе.Одной очень интересной разработкой для получения O2 на Красной Планете занимается корпорация аэрокосмического развития Techshot. Ими было предположено, что кислород можно получать посредством бактерий, которые из углекислого газа способны поглощать нужный человеку газ. Была создана комната с имитацией атмосферы, дневного цикла и излучения на поверхности Марса, в которой с успехом была подтверждена упомянутая теория.

Данный способ производства кислорода имеет глобальное значение. Во – первых транспортировка таких бактерий требует меньших затрат и места. Во – вторых из — за относительных орбит Земли и Марса поставки запасов будут производиться только раз в 500 дней, что делает генерацию воздуха почти необходимой для колонизации Красной Планеты. В свою очередь можно предложить производство кислорода изо льда или воды. Однако водные ресурсы слишком ценные, чтобы отправлять их на выделение необходимого для дыхания газа.

Эксперимент Moxie

Основной задачей экспедиции является изучение пригодности Марса для жизни. С этой целью на 4 планету Солнечной Системы отправляется атомный марсоход Curiosity, которому нужно не только продержаться на Красной планете для ее исследования, но также, чтобы у астронавтов хватило кислорода на обратный путь. Решение нашел Массачусетский технологический институт MOXIE. Итогом их разработки должен стать топливный элемент, который посредством электролиза способен разделить CO2 монооксид углерода и кислород, которые впоследствии направляются в хранилища. На фоне остальных научных разработок MOXIE выделяется тем, что нацелены на практические испытания. В их планы входит создание на Марсе автоматизированного производственного цеха, который заранее сгенерирует кислород для прибывающих астронавтов.

Плазменная технология для производства кислорода

Ученые из Португалии предполагают, что Марс наиболее благоприятное место для проведения реакции разложения посредством неравновесной плазмы. Интервалы термобарических показателей в атмосферном поле Красной Планеты способны вызвать более ощутимые колебания, приводящие к ассиметричному растяжению молекул, чем на Земле. Именно это делает Марс более привлекательной планетой для проведения опыта. Помимо кислорода, продуктом плазменного разделения молекул может стать угарный газ, который будет использоваться в качестве ракетного топлива. Руководитель проекта, Васко Герра полагает, что для производство 8-16 кг воздуха понадобятся лишь 150-200 Вт в течение 4 часов каждые двадцати пяти часовые марсианские сутки.

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? Есть несколько фактов в поддержку этого утверждения. Вопервых, очень старые кратеры практически стёрты с лица Марса. Современная атмосфера не могла вызвать такого разрушения. Во-вторых, существуют многочисленные следы проточной воды, что также невозможно при нынешнем состоянии атмосферы. Изучение скорости образования и эрозии кратеров позволило установить, что сильнее всего ветер и вода разрушали их около 3,5 млрд пет назад. Приблизительно такой же возраст имеют и многие промоины. К сожалению, сейчас не удаётся объяснить, что именно привело к таким серьёзным изменениям климата. Ведь для того чтобы на Марсе могла существовать жидкая вода, его атмосфера должна была очень сильно отличаться от нынешней. Возможно, причина этого кроется в обильном выделении летучих элементов из недр планеты в первый миллиард лет её жизни или в изменении характера движения Марса. Из-за большого эксцентриситета и близости к планетам - гигантам орбита Марса, а также наклон оси вращения планеты могут испытывать сильные колебания, как короткопериодические, так и достаточно длительные. Эти изменения вызывают уменьшение или увеличение количества солнечной энергии, поглощаемой поверхностью Марса. В прошлом климат мог испытать сильное потепление, вследствие которого плотность атмосферы повысилась за счёт испарения полярных шапок и таяния подземных льдов. Предположения о переменчивости марсианского климата подтверждаются недавними наблюдениями на Хаббловском космическом телескопе. Он позволил производить с околоземной орбиты очень точные измерения характеристик атмосферы Марса и даже предсказывать марсианскую погоду. Результаты оказались довольно неожиданными. Климат планеты сильно изменился со времени посадок спускаемых аппаратов «Викинг» (1976 г.): он стал суше и холоднее. Возможно, это связано с сильными бурями, которые в начале 70-х гг. подняли в атмосферу огромное количество мельчайших пылинок. Эта пыль препятствовала остыванию Марса и испарению водяного пара в космическое пространство, но потом осела, и планета вернулась к своему обычному состоянию.

> > > Атмосфера Марса

Марс - атмосфера планеты : слои атмосферы, химический состав, давление, плотность, сравнение с Землей, количество метана, древняя планета, исследования с фото.

А тмосфера Марса составляет всего 1% земной, поэтому на Красной планете нет никакой защиты от солнечного излучения, а также нормального температурного режима. Состав атмосферы Марса представлен углекислым газом (95%), азотом (3%), аргоном (1.6%) и небольшими примесями кислорода, водяного пара и прочих газов. Также она переполнена мелкими пылевыми частичками, из-за которых планета кажется красной.

Исследователи полагают, что ранее атмосферный слой был плотным, но 4 млрд. лет назад разрушился. Без магнитосферы солнечный ветер врезается в ионосферу и снижает атмосферную плотность.

Это привело к низкому показателю давления – 30 Па. Атмосфера простирается на 10.8 км. В ней присутствует много метана. Причем заметны сильные выбросы в конкретных областях. Выделяют две локации, но источники пока не обнаружены.

В год выходит 270 тонн метана. А значит, речь идет о каком-то активном подповерхностном процессе. Скорее всего, это вулканическая активность, кометные удары или серпентинизация. Наиболее привлекательный вариант – метаногенная микробная жизнь.

Теперь вы знаете о наличии атмосферы Марса, но, к сожалению, она настроена на истребление колонистов. Она не дает скопиться жидкой воде, открыта для радиации и чрезвычайно холодная. Но в ближайшие 30 лет мы все равно нацелены на освоение.

Диссипация планетных атмосфер

Астрофизик Валерий Шематович об эволюции планетных атмосфер, экзопланетных системах и потере атмосферы Марса: