какое атмосферное давление на марсе
Атмосфера Марса – химический состав, погодные условия и климат в прошлом
Сегодня о полётах на Марс и его возможной колонизации говорят не только фантасты в своих рассказах, но и реальные ученые, бизнесмены, политики. Зонды и марсоходы дали ответы об особенностях геологии. Однако для пилотируемых миссий следует разобраться, есть ли у Марса атмосфера и какая она по своей структуре.
Общие сведения
У Марса есть своя атмосфера, но она составляет всего 1% от земной. Как и у Венеры, состоит преимущественно из углекислого газа, но опять же, намного тоньше. Относительно плотный слой составляет 100 км (для сравнения у Земли 500 – 1000 км по разным оценкам). Из-за этого отсутствует защита от солнечной радиации, а температурный режим практически не регулируется. Воздуха на Марсе в привычном нам понимании нет.
Учёные установили точный состав:
Содержание опасного для жизни углекислого газа в 23 раза больше, чем на Земле. Однако в небольшом количестве имеется водяной пар. Долгое время учёные задавались вопросом, есть ли кислород на Марсе. Сейчас известно, что его концентрация минимальна в виде примесей.
У поверхности постоянно присутствует пыль. Из-за маленькой силы тяжести облака поднимаются до 50 км. Сильные перепады температуры приводят к появлению ветров с порывами до 100 м/с, поэтому пылевые бури на Марсе обычное дело. Серьезной угрозы они не представляют из-за маленькой концентрации частиц в воздушных массах.
Из каких слоев состоит атмосфера Марса?
Сила тяжести меньше земной, поэтому у Марса атмосфера не так явно делится на слои по плотности и давлению. Однородный состав сохраняется до отметки 11 км, далее атмосфера начинает разделяться на слои. Выше 100 км плотность снижается до минимальных значений.
В верхней атмосфере присутствуют лёгкие газы – водород, углерод. В этих слоях скапливается кислород. Отдельные частицы атомарного водорода распространяются на расстояние до 20 000 км, формируя водородную корону. Чёткого разделения между крайними областями и космическим пространством нет.
Верхняя атмосфера
Нижняя атмосфера
Состав атмосферы
Такой состав сформировался из-за слабого притяжения Красной планеты. Наиболее устойчивым оказался тяжёлый углекислый газ, который постоянно пополняется в результате вулканической активности. Лёгкие газы рассеиваются в космосе, вследствие низкой силы притяжения и отсутствия магнитного поля. Азот удерживается гравитацией в виде двухатомной молекулы, но расщепляется под воздействием радиации, и виде одиночных атомов улетает в космос.
С кислородом схожая ситуация, но в верхних слоях он вступает в реакцию с углеродом и водородом. Однако учёные до конца не понимают особенности реакций. По расчётам количество угарного газа СО должно быть больше, но в итоге он окисляется до углекислого СО2 и опускается к поверхности. Отдельно молекулярный кислород О2 появляется только после химического распада углекислого газа и воды в верхних слоях под воздействием фотонов. Он относится к неконденсирующимся на Марсе веществам.
Учёные полагают, что миллионы лет назад количество кислорода было сопоставимо с земным – 15-20%. Пока неизвестно точно, почему условия изменились. Однако отдельные атомы не так активно улетучиваются, и из-за большего веса он даже накапливается. В некоторой степени наблюдается обратный процесс.
Остальные важные элементы:
Метан на Земле относится к биогенным веществам, поэтому потенциально может быть связан с органикой. Природа появления и быстрого разрушения пока не объяснена, поэтому ученые ищут ответы на эти вопросы.
Что случилось с атмосферой Марса в прошлом?
На протяжении миллионов лет существования планеты атмосфера меняется по составу и структуре. В результате исследований появились доказательства того, что в прошлом на поверхности существовали жидкие океаны. Однако сейчас вода осталась в небольших количествах в виде пара или льда.
Причины исчезновения жидкости:
Иными словами, атмосфера Марса не достаточно плотная, чтобы сохранять воду в виде жидкости, а маленькая сила притяжения не способна удержать водород и кислород.
По оценкам специалистов благоприятные условия для жизни на Красной планете могли сформироваться около 4 млрд. лет назад. Возможно, в то время существовала жизнь.
Называют следующие причины разрушения:
Первая причина на данный момент пока более вероятна, так как следов глобальной катастрофы пока не обнаружено. Подобные выводы удалось сделать благодаря исследованием автономной станции Curiosity. Марсоход установил точный состав воздуха.
Древняя атмосфера Марса содержала много кислорода
Сегодня у учёных практически нет сомнений, что раньше на Красной планете была вода. На многочисленных фотографиях с орбиты виды очертания океанов. Визуальные наблюдения подтверждаются конкретными исследованиями. Марсоходы брали анализы грунта в долинах бывших морей и рек, и химический состав подтвердил первоначальные предположения.
В нынешних условиях любая жидкая вода на поверхности планеты моментально испарится, потому что давление слишком низкое. Однако если в древности существовали океаны и озёра, то условия были иными. Одно из предположений – иной состав с долей кислорода порядка 15-20%, а также увеличенной долей азота и аргона. В таком виде Марс становится практически идентичным нашей родной планете – с жидкой водой, кислородом и азотом.
Другие учёные высказывают предположении о существовании полноценного магнитного поля, способного защитить от солнечного ветра. Его мощность сопоставима с земным, а это ещё один фактор, говорящий в пользу наличия условия для зарождения и развития жизни.
Причины истощения атмосфера
Вершина развития приходится на Гесперийскую эру (3,5-2,5 млрд. лет назад). На равнине находился солёный океан, сопоставимый по размерам с Северным Ледовитым океаном. Температура у поверхности достигала 40-50 0 С, а давление было около 1 атм. Высока вероятность существования живых организмов в тот период. Однако период “процветания” был недостаточно долгим, чтобы возникла сложная и тем более разумная жизнь.
Одна из основных причин – маленькие размеры планеты. Марс меньше Земли, поэтому гравитация и магнитное поле слабее. В результате солнечный ветер активно выбивал частицы и буквально срезал оболочку слой за слоем. Состав атмосферы начал меняться на протяжении 1 млрд лет, после чего климатические изменения стали катастрофическими. Уменьшение давления приводило к испарению жидкости и перепадам температуры.
Постепенно у поверхности накапливался тяжёлый углекислый газ, а остальные элементы улетучивались в космос или в верхние слои атмосферы. Марс превратился в безжизненную пустыню. Однако исследования планеты продолжаются, а учёные получают больше информации о процессах, происходящих на поверхности. Особое внимание уделяется метану в газообразной и жидкой форме, химическим процессам, протекающим в различных слоях атмосферы и другим аспектам.
Атмосфера Марса, ее особенности, структура и химический состав
По составу атмосфера Марса представляет из себя газообразное вещество, которое планета удерживает за счет притяжения. Один из главных вопросов при изучении данной планеты очевиден: есть ли воздух на Марсе? Рассмотрим особенности атмосферы красной планеты и узнаем ее отличия от земной.
Общие сведения об атмосфере Марса
Атмосфера Марса значительно тоньше, чем у Земли. Ее высота равна 11 км, что составляет примерно 9-10% от земной. Это вызвано слабой силой притяжения на планете, неспособной удержать более широкий слой газа. Малая толщина и плотность атмосферы вызывает такие воздушные явления, каких нельзя застать на Земле.
Химически атмосфера состоит в основном из углекислого газа.
Плотность атмосферы также очень мала: более чем в 61 раз меньше средней плотности на Земле.
Из-за своих свойств атмосфера постоянно подвергается воздействию солнечного ветра, теряя вещество и рассеиваясь быстрее, чем на других планетах. Этот процесс называется диссипацией. Это связано с тем, что магнитное поле у планеты Марс отсутствует.
Структура атмосферы Марса
Даже будучи тонкой, марсианская атмосфера неоднородна и имеет слоистую структуру. Ее строение выглядит так:
● Ниже всех слоев находится тропосфера. Она занимает все пространство от поверхности до 20-30 км. Температура здесь равномерно уменьшается по мере подъема. Верхняя граница тропосферы не фиксирована, и изменяет свое положение на протяжении года.
● Выше находится стратомезосфера. Температура в этой части примерно одинакова и равна –133 °C. Она продолжается вплоть до высоты в 100 км над поверхностью, где вместе с ней заканчивается вся нижняя атмосфера.
● Все, что расположено выше (до границы, где начинается космос) называется верхней атмосферой. Другое название этого слоя – термосфера, а его средняя температура – от 200 до 350 К.
● Внутри нее выделяется ионосфера, для которой, как видно из названия, характерен высокий уровень ионизации, возникающий из-за солнечного излучения. Она начинается примерно там же, где и вся верхняя часть и имеет протяженность примерно в 400 км.
● На высоте около 230 км термосфера заканчивается. Ее последний слой называется экобаза.
● Далее начинается экзосфера.
● Не принадлежащей ни к нижней, ни к верхней атмосфере определяют хемосферу, в которой происходят химические реакции, инициируемые светом. Из-за отсутствия у Марса какого-либо аналога земного Озонового слоя, этот слой начинается на уровне поверхности, а заканчивается он на высоте в 120 км.
Итак, поверхность Марса покрыта достаточно тонкой и разреженной атмосферой, которая, впрочем, имеет относительно сложную структуру. Всего атмосфера Марса состоит из семи слоев, однако это число в разных источниках может меняться, так как ученые еще не пришли к согласию относительно природы некоторых слоев.
Не стоит думать, что слоистая структура указывает на статичность. Атмосфера Марса также склонна к изменениям, как и земная: в ней присутствует и общая циркуляция, и частные перемещения потоков воздуха.
Состав атмосферы Марса
Химический состав атмосферы Марса сильно отличается от земного. Воздух на Марсе состоит из следующих газов:
● Основу атмосферы планеты Марс составляет углекислый газ. Он занимает примерно 95% от её объёма. Это единственный тяжелый газ, который способна удержать планета.
● Большую часть углекислого газа составляет CO2, однако долю от него занимает и оксид углерода CO. Эта доля необычно мала и заставляет ученых строить теории о том, почему CO не накапливается.
● Азот N2. Он составляет очень малую часть атмосферы – всего 2,7%. Однако задержаться в атмосфере он может только в виде двойной молекулы. Излучение Солнца постоянно расщепляет атмосферный азот на атомы, после чего он рассеивается.
● Аргон занимает 1,6% и представлен в основном тяжелым изотопом аргон-40.
● Кислород на Марсе также есть, но содержится в основном в верхней атмосфере и появляется при разложении других веществ, откуда затем переходит и в нижние слои. Из-за этого на высоте примерно 110 км и выше содержится в 3-4 раза больше O2, нежели ниже этого уровня. Дышать им нельзя.
● Озон – наиболее неопределенный газ в марсианской атмосфере. Его содержание зависит от температуры воздуха, а значит от времени года, широты и полушария.
● Органические соединения, такие как H2CO, HCl и SO2, тоже есть в составе атмосферы Марса. Они могут прояснить вопрос, о котором говорилось выше, так как их наличие говорит об отсутствии вулканической активности – а значит и термогенного метана.
● Вода. Пусть ее содержание в несколько сотен раз меньше чем в самых сухих районах Земли, она все же присутствует.
● Стоит также упомянуть, что атмосфера Марса наполнена мельчайшими пылевыми частицами (преимущественно — оксид железа). Они делают атмосферу красновато-оранжевой со стороны, и они же отвечают за цвета неба, обратные земным: дневные небеса на Марсе желто-коричневые, на закате и рассвете они становятся розовыми, а вокруг Солнца – голубыми.
Облака
Атмосфера Красной планеты способна формировать те же явления, что и земная. К примеру, на Марсе есть облака.
Парообразной воды в атмосфере планеты Марс крайне мало, но все же достаточно для появления облаков. Чаще всего они находятся на высоте от одного до трех десятков километров над поверхностью. Концентрированный водяной пар собирается в облака преимущественно на экваторе – там их можно наблюдать весь год.
Помимо этого, облако на Марсе может образовывать и CO2. Обычно оно находится выше водяных (на высоте примерно 20 км).
Также на Марсе бывают и туманы. Чаще всего – в низинах и кратерах, ночью.
Однажды на снимке марсианской атмосферы обнаружили вихревидные системы из облаков. Это было свидетельством более сложного климатического явления – циклона. На Земле это привычное явление, но на других планетах – достаточно необычное. Больше о марсианских циклонах пока ничего не известно.
На Марсе не бывает обычных дождей, но в числе природных явлений иногда наблюдается вирга – капли или снег, которые испаряются в воздухе, не долетая до земли.
Парниковый эффект
Давление
Пылевые смерчи
Пылевые бури, регулярно происходящие на Марсе – особенность этой планеты. Их причина – бури на Марсе, скорость ветра в которых достигает 100 км/ч. Воздух собирает висящую в атмосфере пыль на высоту до 50 км. Это порождает на Марсе те самые пылевые бури. Чаще всего они возникают в полярных регионах и бушуют на протяжении 1,5 – 3 месяцев. Похожим образом на Марсе возникают и песчаные бури. Отличие лишь в том, что на этот раз в воздух поднимаются более крупные частицы, осевшие на поверхность – песок.
Впрочем, если на Марсе есть ветер, то должны быть и опасные воздушные явления, которые он вызывает. К примеру, смерчи. Они, так же как и бури, поднимают в воздух песок и пыль, но простираются на сотни метров в ширину и километры в высоту и представляются куда более опасными (даже несмотря на то, что их скорость втрое ниже, чем у бурь – только 30 км/ч). Из-за все той же малой плотности атмосферы смерчи на Марсе больше похожи на торнадо. Второе их название – пылевые дьяволы. С орбиты видно, как они оставляют черные вихрящиеся следы на светло-песчаной поверхности.
Радиация
Радиация на Марсе представляет для людей не меньшую опасность чем пыль или низкое давление. Причины тому две: слабость и разреженность атмосферы и отсутствие магнитосферы у планеты Марс. Воздушная часть не способна защитить его поверхность от радиационного космического излучения. Именно поэтому за несколько дней, проведенных на планете без защиты, космонавт получит годовую дозу облучения.
Терраформирование
Несмотря на все это, люди по-прежнему мечтают подчинить себе Марс и даже сделать его обитаемым. Атмосфера Марса – одно из главных препятствий на этом пути. Однако терраформирование Марса предлагают провести не только обеспечив его кислородом и плотной атмосферой, но и создав при этом крупный источник космического топлива. Предлагается химически разлагать углекислый газ на кислород и CO, которым можно будет обеспечивать колонию и заправлять транспорт, чтобы наладить связь с Землей.
Общие сведения об атмосфере Марса
Красная планета, снимок телескопа Хаббл
Атмосфера Марса составляет менее 1% от Земной, поэтому она не защищает планету от излучения Солнца и не сохраняет тепло на поверхности. Так вкратце можно ее описать, но давайте поподробнее ее рассмотрим.
Общие сведения
Атмосфера Марса открыта была еще до полета автоматических межпланетных станции к планете. Благодаря противостояниям планеты, которые случаются раз в три года и спектральному анализу, астрономы уже в 19 веке знали, что она имеет весьма однородный состав, более 95% которого составляет CO2.
Цвет марсианского неба с посадочного модуля Viking Lander 1. На 1742 сол (марсианский день) видна пылевая буря.
В 20 веке, благодаря межпланетным зондам мы узнали, что атмосфера Марса и его температура сильно взаимосвязаны, ведь благодаря переносу мельчайших частичек оксида железа возникают огромные пылевые бури, которые могут охватить половину планеты, попутно подняв ее температуру.
Примерный состав
Газовая оболочка планеты состоит из состоит из 95% углекислого газа, 3% азота, 1,6% аргона, и следовых количеств кислорода, водяного пара и других газов. Кроме того, она очень сильно наполнена мелкими частицами пыли (в основном из оксида железа), которые придают ей красноватый оттенок. Благодаря сведениям о частичках оксида железа, ответить на вопрос какого цвета атмосфера, совсем не трудно.
Углекислый газ
Темные дюны — результат сублимации замерзшей углекислоты, которая весной растаяла и вырвалась в разряженную атмосферу, оставив после себя вот такие следы.
Почему атмосфера красной планеты состоит из углекислого газа? На планете нет тектоники плит вот уже в течение миллиардов лет. Отсутствие движения плит позволило вулканическим точкам извергать магму на поверхность миллионы лет подряд. Углекислый газ также является продуктом извержения и это единственный газ, которым постоянно пополняется атмосфера, собственно это фактически единственная причина, почему она существует. К тому же планета лишилась своего магнитного поля, что способствовало тому, что более легкие газы уносились солнечным ветром. Из-за непрерывных извержений, появилось множество больших вулканических гор. Гора Олимп, является крупнейшей горой в Солнечной системе.
Заход Солнца, снято марсоходом Curiosity
Ученые считают, что Марс растерял всю свою атмосферу, из-за того, что потерял свою магнитосферу около 4 миллиардов лет назад. Когда-то газовая оболочка планеты была плотнее и магнитосфера защищала от солнечного ветра планету. Солнечный ветер, атмосфера и магнитосфера сильно взаимосвязаны. Солнечные частицы взаимодействует с ионосферой и уносит из нее молекулы, снижая плотность. Это и является разгадкой на вопрос куда делась атмосфера. Эти ионизированные частицы были обнаружены космическими аппаратами, в пространстве позади Марса. Это приводит к тому, что на поверхности давление в среднем 600 Па, по сравнению со средним давлением на Земле 101300 Па.
Метан
Закат Солнца, голубой цвет неба обусловлен, отчасти, наличием метана
Количественный состав
Циркуляция газов в марсианской атмосфере
Химический состав атмосферы: она состоит из более 95% углекислого газа, 95,32%, если быть точным. Газы распределены следующим образом:
Диоксид углерода 95,32%
Азот 2,7%
Аргон 1,6%
Кислород 0,13%
Окись углерода 0,07%
Водяной пар 0,03%
Оксид азота 0,0013%
Строение
Атмосфера делится на четыре основных слоя: нижний, средний, верхний и экзосфера. Нижние слои это теплая область (температура около 210 К). Она нагревается от пыли в воздухе (пыль 1,5 мкм в поперечнике) и теплового излучения от поверхности.
Следует учесть, что, несмотря на очень большую разрежённость, концентрация углекислого газа, в газовой оболочке планеты, примерно в 23 раза больше, чем в нашей. Поэтому, не такая уж и дружелюбная атмосфера Марса, нельзя дышать в ней не только людям, но и другим земным организмам.
Атмосфера планеты, рисунок
Средняя — похожа на Земную. Верхние слои атмосферы нагревается от солнечного ветра и там температура гораздо выше, чем на поверхности. Это тепло заставляет газ покидать газовую оболочку. Экзосфера начинается примерно в 200 км от поверхности и не имеет четкой границы. Как видите, распределение температуры по высоте, достаточно предсказуемо для планеты земной группы.
Погода на Марсе
Прогноз на Марсе, как правило, очень плохой. Посмотреть прогноз погоды на Марсе можно тут. Погода меняется каждый день и иногда даже каждый час. Это кажется необычным для планеты, которая имеет атмосферу составляющую всего 1% от Земной. Несмотря на это, климат Марса и общая температура планеты так же сильно влияют друг на друга как и на Земле.
Температура
Облака
Анимация движения облаков в атмосфере, полученная зондом Curiosity
Так как излучение Солнца и солнечного ветра постоянно бомбардируют планету, жидкая вода не может существовать, поэтому дождя на Марсе нет. Иногда, однако, появляются облака и начинает падать снег. Облака на Марсе очень маленькие и тонкие.
Curiosity снял облака на фоне роботизированной мачты
Ученые считают, что некоторые из них состоят из мелких частиц воды. Атмосфера содержит водяной пар в незначительных количествах. С первого взгляда может показаться, что облака не могут существовать на планете.
Анимация движения облаков, фотографии с аппарата Феникс
И все же на Марсе, есть условия для формирования облаков. На планете так холодно, что вода в этих облаках никогда не выпадает в виде дождя, но идет в виде снега в верхних слоях атмосферы. Ученые наблюдали это несколько раз, и нет никаких доказательств, что снег не достигает поверхности.
Пыль осевшая на марсоходе
Как влияет атмосфера на температурный режим увидеть довольно легко. Наиболее показательным событием являются пылевые бури, которые локально нагревают планету. Они происходят из-за перепада температур на планете, а поверхность покрыта легкой пылью, которую поднимает даже такой слабый ветер.
Поверхность планеты, очищенная щеткой марсохода от пыли
Эти бури запыляют панели солнечных батарей, что делает невозможным долгосрочное исследование планеты. К счастью, бури чередуются с ветром, который сдувает накопленную пыль с панелей. Но атмосфера Куриосити помешать не в состоянии, передовой американский марсоход оснащен ядерным термогенератором и ему, перебои с солнечным светом не страшны, в отличие от другого марсохода Opportunity, работающего на солнечных батареях.
Такому марсоходу не страшны никакие пылевые бури
Углекислый газ
Как уже говорилось, газовая оболочка красной планеты на 95 состоит из углекислого газа. Он может замерзать и выпадать на поверхность. Примерно 25% атмосферного углекислого газа конденсируется в полярных шапках в виде твердого льда (сухой лед). Это происходит из-за того, что Марсианские полюса не подвергаются воздействию солнечного света в течение зимнего периода.
Когда на полюса вновь падает солнечный свет, лед переходит в газообразную форму и испаряется обратно. Таким образом, происходит значительное изменение давления за год.
Пылевые смерчи
Пылевой смерч высотой 12 километров и 200 метров в диаметре
Возникновение
Формирование бурь
Формирование бури в атмосфере, по данным зонда NASA Mars Reconnaissance Orbiter
Давайте взглянем на то, что ученые думают об условиях внутри одной из этих бурь. Буря формируется быстро, и внезапно вы окажетесь не в состоянии видеть больше, чем несколько сантиметров перед собой. Ветер достигает 30 м/с, в кратчайшие сроки поднимает огромное количество оксида железа. Что еще хуже — трение пыли в воздухе создает электричество.
Поскольку не существует эрозии на поверхности Марса, Марсоходам удалось сфотографировать следы на поверхности планеты, которые были оставлены предыдущими смерчами.
Пылевые смерчи на Марсе будут серьезной проблемой для астронавтов, которым придется с ними столкнуться по прибытии на планету.
Пылевой смерч в кратера Гусева
Газовая оболочка создает большое количество препятствий для освоения человеком планеты. Это невозможность существования жидкой воды на поверхности и высокие уровни радиации.
Замечательно видео о пылевых смерчах
Будущие исследования
Несмотря на большой объем знаний, нам еще много предстоит узнать об атмосфера планеты, для ее детального исследования 18 ноября 2013 года был запущен космический аппарат MAVEN основной задачей которого будет детальное изучение газовой оболочки и протекающих в ней процессов.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!