В настоящее время Марс — наиболее интересная для изучения планета Солнечной системы . Поскольку он обладает атмосферой, хотя и очень разреженной , по сравнению с земной, можно говорить о процессах в ней, формирующих погоду , а следовательно, и климат . Он малоблагоприятен для земной жизни, однако наиболее близок к существующему на Земле среди планет Солнечной системы. Предположительно в прошлом климат Марса мог быть более тёплым и влажным, а на поверхности присутствовала жидкая вода и даже шли дожди .

Изучение

Марсоход NASA Perseverance прислал свой первый отчет о погоде в кратере Езеро на Марсе. Об этом сообщает NASA Science Mars Exploration Program.

Как отмечается, ровер собирал данные с помощью системы мониторинга окружающей среды MEDA.

Впервые она была включена на 30 минут 19 февраля – примерно через день после посадки ровера на Марсе. Система показала, что температура за 30 минут опустилась с -20°C до -25,6°C. Зафиксировано давление 718 Паскалей, для сравнения – нормальное давление у поверхности Земли составляет 101 325 Паскалей.

Также на 43-й и 44-й марсианские дни миссии Perseverance (3-4 апреля) MEDA фиксировала температуры -22°C и -83°C, скорость ветра достигала 10 м/с.

Текущие наблюдения

Метеосводки марсохода Perseverance ,
публикуемые НАСА

Дата	Сол	Температура, °C		Давление, Па	Солнце
		макс.	мин.		восход	заход
01.04.2021	41	-21,6	-83,8	743,2	06:09:02	18:37:53
02.04.2021	42	-26,7	-83	744,7	06:08:25	18:37:47
03.04.2021	43	-27,6	-83,5	746,8	06:07:47	18:37:40
04.04.2021	44	-21,1	-82,2	746	06:07:09	18:37:34
05.04.2021	45	-22	-83,1	745,9	06:06:32	18:37:27
06.04.2021	46	-24,2	-83	746,9	06:05:54	18:37:20
07.04.2021	47	-22,3	-82,9	747,1	06:05:17	18:37:14
Данные на сайте НАСА не публиковались
08.08.2021	178	-18	-81	719,9	05:09:20	18:22:22
09.08.2021	179	-23	-81	718,4	05:09:10	18:22:13
10.08.2021	180	-20	-80	718	05:09:00	18:22:04
11.08.2021	181	-18	-81	717,1	05:08:51	18:21:56
Данные на сайте НАСА не публиковались
12.09.2021	210	-14	-78	685	05:05:51	18:16:47
13.09.2021	211	-21	-79	684,3	05:05:48	18:16:34
14.09.2021	214	-21	-80	681,1	05:05:40	18:15:55
15.09.2021	215	-22	-78	679,5	05:05:37	18:15:41
16.09.2021	216	-21	-78	678,7	05:05:35	18:15:28

Метеосводки из кратеров Гейла (Г) и Езеро (Е)

Дата	Сол	Температура, °C				Давление, Па		Солнце
		макс.		мин.				восход		заход
		Г	Е	Г	Е	Г	Е	Г	Е	Г	Е
3076	41	-12	-21,6	-73	-83,8	847	743,2	06:26	06:09:02	18:19	18:37:53
3077	42	-12	-26,7	-74	-83	848	744,7	06:26	06:08:25	18:19	18:37:47
3078	43	-11	-27,6	-73	-83,5	849	746,8	06:26	06:07:47	18:18	18:37:40
3079	44	-12	-21,1	-74	-82,2	849	746	06:26	06:07:09	18:18	18:37:34
3080	45	-19	-22	-76	-83,1	850	745,9	06:25	06:06:32	18:18	18:37:27
3081	46	-16	-24,2	-76	-83	850	746,9	06:25	06:05:54	18:17	18:37:20
3082	47	-13	-22,3	-76	-82,9	850	747,1	06:25	06:05:17	18:17	18:37:14
Данные на сайте НАСА не публиковались
3245	211	-20	-21	-80	-79	788	684,3	05:49	05:05:48	17:32	18:16:34
3246		-24		-80		787		05:49		17:32
3247		-23		-81		785		05:49		17:32
3248		-32		-80		783		05:49		17:32
3249	214	-32	-21	-79	-80	782	681,1	05:49	05:05:40	17:32	18:15:55
3250	215	-33	-22	-79	-78	781	679,5	05:49	05:05:37	17:32	18:15:41
3251	216	-28	-21	-79	-78	781	678,7	05:48	05:05:35	17:32	18:15:28

Погода

Температура

Средняя температура на Марсе значительно ниже, чем на Земле: −63 °С . Поскольку атмосфера Марса сильно разрежена, она плохо сглаживает суточные колебания температуры поверхности. При наиболее благоприятных условиях летом на дневной половине планеты воздух прогревается до 20 °С (а на экваторе — до +27 °C) — вполне приемлемая температура для жителей Земли. Максимальная температура воздуха, зафиксированная марсоходом «Спирит» , составила +35 °C . Но зимней ночью мороз может достигать даже на экваторе от −80 °C до −125 °С, а на полюсах ночная температура может падать примерно до −153 °C . Однако суточные колебания температуры не столь значительны, как на безатмосферных Луне и Меркурии . На Марсе существуют температурные оазисы, в районах «озера» Феникс (плато Солнца) и перепад температур составляет от −53 °С до +22 °С летом и от −103 °С до −43 °С зимой. Таким образом, Марс — весьма холодный мир, климат там суровее, чем в Антарктиде .

Атмосферное давление

Атмосфера Марса более разрежена, чем воздушная оболочка Земли, и более чем на 95 % состоит из углекислого газа , а содержание кислорода и воды составляет доли процента. Среднее давление атмосферы у поверхности составляет в среднем 0,6 кПа или 6 м бар , что в 168 раз меньше земного или равно земному на высоте почти 35 км от поверхности Земли . Атмосферное давление претерпевает сильные суточные и сезонные изменения .

Облачность и осадки

Водяного пара в марсианской атмосфере не более 0,001 %, 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 изо льда Н ₂ О .

Образования конденсационной природы представлены также туманами (или дымками). Они часто стоят над низинами — каньонами, долинами — и на дне кратеров в холодное время суток .

В атмосфере Марса могут возникать метели . Марсоход «Феникс» в 2008 году наблюдал в приполярных областях виргу . По первоначальным оценкам, скорость падения осадков в вирге была очень малой. Однако недавнее (2017 г.) моделирование марсианских атмосферных явлений показало, что на средних широтах, где происходит регулярная смена дня и ночи, после заката облака резко охлаждаются, и это может приводить к метелям, скорость частиц во время которых в действительности может достигать 10 м/с. Учёные допускают, что сильные ветра в совокупности с низкой облачностью (обычно марсианские облака формируются на высоте 10–20 км) могут привести к тому, что снег будет выпадать на поверхность Марса. Это явление подобно земным микропорывам — шквалам из нисходящего ветра со скоростью до 35 м/с, часто связанным с грозами .

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

Пылевые бури и смерчи

Характерная особенность атмосферы Марса — постоянное присутствие пыли, частицы которой имеют размер порядка 1,5 мкм и состоят в основном из оксида железа . 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 жёлтой пелены, охватывающей всю планету. Чаще всего пылевые бури возникают вблизи полярных шапок, их продолжительность может достигать 50–100 суток. Слабая жёлтая 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, суммарная масса 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 .

Пылевые смерчи и вихри — ещё один пример процессов поднятия в воздух пыли, возникающий из-за суточных вариаций температур вблизи поверхности Марса. Из-за очень низкой плотности атмосферы красной планеты некоторые из них могут достигать масштабов торнадо , вздымающихся на несколько километров в высоту и имеющие сотни метров в поперечнике. Однако большинство из них кратковременны, скоротечны и, как показывают наблюдения в кратере Езеро , возникают в пределах видимости камер марсохода Perseverance до нескольких раз за месяц.

Полную метеорологическую картину прохождения пылевого вихря удалось получить уже в 1997 году: такой вихрь проследовал непосредственно над марсоходом Pathfinder на 25-й сол экспедиции . Разрушительную физическую силу марсианских ветров (в том числе внутри небольших пылевых вихрей) не следует преувеличивать, так как речь идёт о чрезвычайно разрежённой атмосфере. Конструкторы первого инопланетного вертолёта Ingenuity заверили, что даже эта лёгкая по весу и кажущаяся уязвимой в силу парусности конструкция без проблем устоит на поверхности при ветрах 135 миль в час (216 км/ч, или 60 м/с) . Другая же, пока не вполне изученная опасность для техники на Марсе состоит в электризации частиц пыли, перемещаемой вихрями. Ввиду слабости эрозии на поверхности планеты на ней остаются следы этих атмосферных явлений, фиксируемые не только камерами марсоходов, но иногда и с орбит искусственных спутников Марса .

Вопрос о наличии воды

Для стабильного существования чистой воды в жидком состоянии температура и парциальное давление водяного пара в атмосфере должны быть выше тройной точки на фазовой диаграмме , тогда как сейчас они далеки от соответствующих значений. Исследования, проведённые космическим аппаратом « Маринер-4 » в 1965 году, показали, что жидкой воды на Марсе в настоящее время нет, но данные марсоходов НАСА « Спирит » и « Оппортьюнити » свидетельствуют о наличии воды в прошлом.

Во-первых, найдены минералы, которые могли образоваться только в результате длительного воздействия воды. Во-вторых, очень старые кратеры практически стёрты с лица Марса. Современная атмосфера не могла вызвать такого разрушения. Изучение скорости образования и эрозии кратеров позволило установить, что сильнее всего ветер и вода разрушали их около 3,5 млрд лет назад. Приблизительно такой же возраст имеют и многие промоины.

На начало 2020-х гг. имеется ряд свидетельств присутствия воды в замёрзшем виде. Однако единственным местом, где может существовать жидкая вода, является гипотетическое озеро под , прочие предположения не нашли подтверждения .

Времена года

Как и на Земле, на Марсе происходит смена времён года из-за наклона оси вращения к плоскости орбиты, поэтому зимой в северном полушарии полярная шапка растёт, 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 падает .

Изменения со временем

Как и на Земле, климат Марса претерпевал долгосрочные изменения и на ранних этапах эволюции планеты сильно отличался от нынешнего. Различие состоит в том, что главную роль в циклических изменениях климата Земли играют изменение эксцентриситета орбиты и прецессия оси вращения, притом что наклон оси вращения остаётся примерно постоянным благодаря стабилизирующему воздействию Луны , тогда как Марс, не имея такого большого спутника, может претерпевать существенные изменения наклона оси его вращения. Расчёты показали , что наклон оси вращения Марса, составляющий сейчас 25° — примерно ту же величину, что и у Земли, — в недавнем прошлом был равен 45°, а в масштабе миллионов лет мог колебаться от 10° до 50°.

Историю изменений климата на Марсе можно проследить путём анализа слоистых отложений в полярных шапках, на участках, где они доступны для наблюдения в разломах и трещинах. Полагая, что светлые слои образованы отложением льда, а тёмные — отложением пыли, по их числу и толщине (если знать время нарастания) можно судить о циклических вариациях климата и их корреляции с изменением угла наклона оси вращения и эксцентриситета орбиты Марса. Расчёты показывают, что циклы изменения этих параметров длятся всего 2,5 млн лет .

При сильном (около 45°) наклоне оси вращения планеты на полярные области попадает больше солнечного излучения, и они становятся самыми тёплыми участками. Вода и CO ₂ в полярных шапках из твёрдого состояния переходят в виде газа в атмосферу, становящуюся таким образом более плотной и потому более тёплой и влажной, а атмосферное давление увеличивается до значений, необходимых для существования воды на поверхности Марса в жидкой фазе. Запускается круговорот воды, подобный происходящему на Земле. Водяной пар из атмосферы конденсируется в лёд и снег в низких широтах, где теперь холодно, проникает в почву и замерзает там. Когда же наклон оси вращения уменьшается, в полярных областях снова становится холоднее, а в экваториальных — теплее; вода, замёрзшая в приповерхностных слоях, возвращается в атмосферу в виде пара, перемещается к полюсам и снова конденсируется в ледяные полярные шапки. Большая часть углекислого газа также возвращается в полярные шапки, тем самым делая атмосферу очень разреженной . Такие изменения происходят в масштабах сотен тысяч и даже миллионов лет. По результатам некоторых расчётов, за последние 5 миллионов лет водяной лёд переместился с полюсов к экватору и обратно более 40 раз .

Судя по обнаруженному в кратерах льду на довольно низких (около 40°) широтах, где температуры по идее слишком высоки для того, чтобы он был стабилен в течение долгого времени, последний ледниковый период ещё не завершился .

Итак, климат раннего Марса сильно отличался от наблюдаемого сегодня. Присутствие жидкой воды, подтверждённое многочисленными свидетельствами, предполагает существование достаточно плотной атмосферы. Со временем бо́льшая её часть рассеялась — скорее всего, посредством нетермального механизма ионного распыления частицами солнечного ветра , происходящего из-за отсутствия у планеты магнитного поля . Это подтверждается измерениями соотношений изотопов аргона, проведёнными аппаратами « Викинг » в 1976 году , «Curiosity» в 2013 году и « MAVEN » в 2017 году , с этим согласуются и данные изучения марсианских метеоритов .

См. также

• MAVEN
• Марсианская научная лаборатория
• Колонизация Марса

Примечания

Ссылки

• от 21 мая 2016 на Wayback Machine , лектор Сурдин В. Г. ( видео , лекция в Московском планетарии)