Атмосфера Марса: тайна четвертой планеты. Кислород на Марсе: как сотворить атмосферу из «ничего»? Какой газ преобладает в атмосфере марса

Поскольку Марс находится дальше от Солнца, чем Земля, он может занимать на небе положение, противоположное Солн-цу, тогда он виден всю ночь. Такое положение планеты назы-вается противостоянием . У Марса оно повторяется каждые два года и два месяца. Так как орбита Марса вытянута больше земной, то во время противостояний расстояния между Мар-сом и Землёй могут быть различными. Раз в 15 или 17 лет происходит Великое противостояние, когда расстояние между Землёй и Марсом минимально и составляет 55 млн км.

Каналы на Марсе

На фотографии Марса, сделанной с космического телеско-па Хаббла, хорошо видны характерные особенности планеты. На красном фоне марсианских пустынь отчётливо видны го-лубовато-зелёные моря и ярко-белая полярная шапка. Знаменитых каналов на снимке не видно. При та-ком увеличении они действительно не видны. После того как были получены крупномасштабные снимки Марса, загадка мар-сианских каналов была окончательно разрешена: каналы пред-ставляют собой оптическую иллюзию.

Большой интерес вызывал вопрос о возможности сущест-вования жизни на Марсе . Проведённые в 1976 г. на амери-канских АМС «Викинг» исследования дали, по-видимому, окон-чательный отрицательный результат. Никаких следов жизни на Марсе не обнаружено.

Однако и в настоящее время идёт ожив-лённая дискуссия по этому поводу. Обе стороны, как сторон-ники, так и противники жизни на Марсе, приводят аргумен-ты, которые их оппоненты опровергнуть не могут. Для реше-ния этого вопроса просто не хватает экспериментальных дан-ных. Остаётся только ожидать, когда осуществляемые и пла-нируемые полёты к Марсу дадут материал, подтверждающий или опровергающий существование жизни на Марсе в наше время или в далёком прошлом. Материал с сайта

У Марса есть два небольших спутника — Фобос (рис. 51) и Деймос (рис. 52). Их размеры 18×22 и 10×16 км соответ-ственно. Фобос расположен от поверхности планеты на рас-стоянии всего 6000 км и обращается вокруг неё примерно за 7 ч, что в 3 раза меньше марсианских суток. Деймос нахо-дится на расстоянии 20 000 км.

Со спутниками связан ряд загадок. Так, неясно их проис-хождение. Большинство учёных считают, что это сравнительно недавно захваченные астероиды . Трудно представить себе, как уцелел Фобос после удара метеорита , оставившего на нем кратер диаметром 8 км. Непонятно, почему Фобос является самым черным из известных нам тел. Его отражательная спо-собность в 3 раза меньше, чем сажи. К сожалению, несколь-ко полётов КА к Фобосу закончилось неудачей. Окончатель-ное решение многих вопросов как Фобоса, так и Марса откла-дывается до экспедиции на Марс, планируемой на 30-е годы XXI в.

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.

Как и у любой крупной планеты, у Марса есть атмосфера. Она состоит из газообразного вещества, которое планета удерживает за счет притяжения. Впрочем, воздух на Марсе сильно отличается от земного.

Общие сведения об атмосфере Марса

Атмосфера у 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 у планеты Марс нет магнитного поля.

Структура атмосферы

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.

● 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

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.

● Метан на Марсе, несмотря на малое содержание в атмосфере, – один из самых загадочных газов планеты. Он может иметь несколько источников, но наиболее актуальных два: влияние температур (например, в вулканах) и переработка веществ бактериями и жвачными животными, после чего образуется бактериальный метан. Последний представляет особый интерес для астробиологии – именно его ищут на потенциально населенных планетах, чтобы доказать что на них есть жизнь. На что может указывать метан, появляющийся на Марсе всплесками – неизвестно.

● 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

Речь о парниковом эффекте на Марсе всегда заходит в контексте обсуждения когда-то существовавшей на нем жидкой воды. Об этом уже говорят “реки” на поверхности, но этого ученым оказалось недостаточно, и они решили найти то, что позволило жидкой H2O появиться.
Когда Марс был молодой планетой, вулканы на нем были крайне активны. Каждый вулканический взрыв на Марсе выделял углекислый газ и метан, который разлагался под действием солнечных лучей, производя водород и создавая “водородный парниковый эффект”. В какой-то момент концентрация последнего газа увеличилась настолько, что позволила существование озер, рек и даже целых океанов воды. Однако со временем атмосфера планеты истончилась и больше не смогла обеспечивать условия, в которых вода оставалась бы жидкой. Сейчас на Марсе можно найти только водяной пар или лед. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при помощи сублимации, минуя жидкую стадию. Это можно назвать уникальной особенностью в истории атмосферы Марса, так как подобного не происходило пока что ни на одной другой планете. Впрочем, это только научная теория.

Давление

В среднем атмосферное давление на Марсе равно 4,5 мм ртутного столба или 600 Паскалям. Это составляет одну 169-ую часть от среднего давления на Земле. Такое давление делает невозможным выживание человека на поверхности без скафандра. Людям, попавшим на открытую поверхность планеты Марс без защиты, грозит мгновенная смерть. Причиной тому существование так называемого лимита Армстронга – уровня давления, при котором вода закипает при обычной температуре тела человека. Давление атмосферы на поверхности Марса значительно ниже этого предела.

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.

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.

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.

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

Относительно большое количество метана было обнаружено сравнительно недавно. Эта неожиданная находка показала, что атмосфера содержит метан в пропорции 30 частей на миллиард. Этот газ появляется из разных районов планеты. Данные позволяют предположить, что существует два основных источника метана.

Закат Солнца, голубой цвет неба обусловлен, отчасти, наличием метана

Считается, что Марс производит около 270 тонн метана в год. В соответствии с условиями на планете метан разрушается быстро, примерно за 6 месяцев. Для того, чтобы метан существовал в обнаруженных количествах, должны быть активные источники под поверхностью. Вулканическая активность и серпентинизация являются наиболее вероятными причинами образования метана.

Кстати, метан это одна из причин почему атмосфера планеты голубая на закате. Метан лучше рассеивает голубой цвет, нежели другие цвета.

Метан является побочным продуктом жизни, а также является результатом вулканизма, геотермальных процессов, и гидротермальной деятельности. Метан является неустойчивым газом, поэтому на планете должен быть источник, который постоянно пополняет его. Он должен быть очень активным, потому что исследования показали, что метан разрушается меньше чем за год.

Количественный состав

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.

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 . 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

Летом дневная температура на экваторе может доходить до 20 °С. Ночью, температура может опускаться до -90 С. 110 градусов разницы в один день, может создать пылевые смерчи и пылевые бури, которые охватывают собой всю планету на несколько недель. Зимние температуры крайне низки -140 C. Углекислый газ замерзает и превращается в сухой лед. Марсианский Северный полюс имеет метровый слой сухого льда в зимнее время, в то время как Южный полюс покрыт постоянно восемью метрами сухого льда.

Облака

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.

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.

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

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.

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

Если вы когда-либо были в пустынной местности, то видели крошечные пылевые смерчи, которые, как будто возникают из ниоткуда. Пылевые смерчи на Марсе немного более зловещи, чем на Земле. В сравнении с нашей, атмосфера краснйо планеты имеет плотность в 100 раз меньшую. Поэтому, смерчи больше похожи на торнадо, возвышающиеся на несколько километров в воздухе и имеющие сотни метров в поперечнике. Это отчасти объясняет то, что в сравнении с нашей планетой, атмосфера красная – пылевые бури и мелкодисперсная пыль из оксида железа. Также цвет газовой оболочки планеты может менять и на закате, когда садится Солнце, метан рассеивает голубую часть света сильнее чем остальные, поэтому закат на планете голубой.