Наса предлагает восстановить атмосферу марса при помощи магнитного щита

Марс, как и Венера - землеподобные планеты. У них очень много общего, но есть и отличия. Ученые не теряют надежды найти жизнь на Марсе, а также терраформировать этого «родственника» Земли, пускай и в далеком будущем. Для Красной планеты эта задача выглядит более простой, чем для Венеры. К сожалению, у Марса очень слабое магнитное поле, что усложняет ситуацию. Дело в том, что из-за почти полного отсутствия магнитного поля солнечный ветер оказывает очень сильное влияние на атмосферу планеты. Он вызывает диссипацию атмосферных газов, так что в сутки в космос уходит около 300 тонн атмосферных газов.

По мнению специалистов, именно солнечный ветер стал причиной рассеивания около 90% марсианской атмосферы в течение миллиардов лет. В итоге давление у поверхности Марса составляет 0,7-1,155 кПа (1/110 от земного, такое давление на Земле можно увидеть, поднявшись на высоту в тридцать километров от поверхности).

Атмосфера на Марсе состоит, преимущественно, из углекислого газа (95%) с небольшими примесями азота, аргона, кислорода и некоторых других газов. К сожалению, давление и состав атмосферы на Красной планете делает дыхание земных живых организмов невозможным на Красной планете. Вероятно, некоторые микроскопические организмы и смогут выжить, но и они не смогут чувствовать себя в таких условиях комфортно.

Состав атмосферы - не такая уж и проблема. Если бы атмосферное давление на Марсе составило бы половину или треть от земного, то колонисты или марсонавты смогли бы находиться в определенное время суток и года на поверхности планеты без скафандров, используя лишь аппарат для дыхания. Более комфортно на Марсе почувствовали бы себя и многие земные организмы.

В НАСА считают, что повысить давление атмосферы на соседе Земли можно, если защитить Марс от солнечного ветра. Такую защиту обеспечивает магнитное поле. На Земле оно существует благодаря так называемому механизму гидродинамического динамо. В жидком ядре планеты постоянно циркулируют потоки электропроводящего вещества (расплавленного железа), благодаря чему возбуждаются электрические токи, которые создают магнитные поля. Внутренние потоки в ядре земли ассиметричны, что обуславливает усиление магнитного поля. Магнитосфера Земли надежно защищает атмосферу от «выдувания» солнечным ветром.

Диполь по расчетам авторов проекта создания магнитного щита для Марса будет генерировать достаточно сильное магнитное поле, которое не допустит к планете солнечный ветер

К сожалению для человека, на Марсе (и Венере) нет постоянного мощного магнитного поля, фиксируются лишь слабые следы. Благодаря Mars Global Surveyor удалось обнаружить магнитное вещество под корой Марса. В НАСА считают, что эти аномалии образовались под влиянием некогда магнитного ядра и сохранили магнитные свойства даже после того, как сама планета утратила свое поле.

Где взять магнитный щит

Директор научного отдела НАСА Джим Грин считает, что естественное магнитное поле Марса восстановить нельзя, во всяком случае, сейчас или даже в очень отдаленном будущем человечеству это не по силам. А вот создать искусственное поле можно. Правда, не на самом Марсе, а рядом с ним. Выступая с докладом «Будущее окружающей среды Марса для исследований и науки» на мероприятии Planetary Science Vision 2050 Workshop, Грин предложил создать магнитный щит. Этот щит, Mars L1, по замыслу авторов проекта, закроет Марс от солнечного ветра, и планета начнет восстанавливать свою атмосферу. Расположить щит планируется между Марсом и Солнцем, где он находился бы на стабильной орбите. Создать поле планируется при помощи громадного диполя или же двух равных и противоположно заряженных магнитов.

На схеме НАСА показано, как магнитный щит будет защищать Марс от воздействия солнечного ветра

Авторы идеи создали несколько симуляционных моделей, каждая из которых показала, что в течение после запуска магнитного щита давление на Марсе достигнет половины земного. В частности, углекислый газ на полюсах Марса будет испаряться, переходя в газ из твердой фазы. С течением времени проявит себя парниковый эффект, на Марсе начнет теплеть, лед, который находится близко к поверхности планеты во многих ее местах, растает и планета покроется водой. Считается, что такие условия существовали на Марсе около 3,5 млрд лет назад.

Конечно, это проект не сегодняшнего дня, но, возможно, в будущем столетии люди смогут реализовать эту идею и терраформировать Марс, создав себе второй дом.

Основные характеристики Марса

© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Атмосфера Марса

Состав и другие параметры атмосферы Марса к настоящему времени определены достаточно точно. Атмосфера Марса состоит из углекислого газа (96%), азота (2,7%) и аргона (1,6%). Кислород присутствует в ничтожном количестве (0,13%). Водяные пары́ представлены в виде следов (0,03%). Давление на поверхности составляет всего 0,006 (шесть тысячных) от давления на поверхности Земли. Марсианские облака́ состоят из паро́в воды и углекислого газа и выглядят примерно как перистые облака́ над Землёй.

Цвет марсианского неба красноватый из-за присутствия в воздухе пы́ли. Крайне разреженный воздух слабо переносит тепло, поэтому в разных районах планеты велика́ разница температур.

Несмотря на разреженность атмосферы, нижние её слои представляют достаточно серьёзную преграду для космических аппаратов. Так, конусные защитные оболочки спускаемых аппаратов «Маринер-9» (1971 г.) при прохождении марсианской атмосферы от самых верхних её слоёв до расстояния 5 км от поверхности планеты нагревались до температуры 1500°C . Марсианская ионосфера простирается в пределах от 110 до 130 км над поверхностью планеты.

О движении Марса

Марс можно увидеть с Земли невооружённым глазом. Его видимая звёздная величина достигает −2,9m (при максимальном сближении с Землёй), уступая по яркости лишь Венере, Луне и Солнцу, но бо́льшую часть времени Юпитер для земного наблюдателя является более ярким, чем Марс. Марс движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, то удаляясь от светила на 249,1 млн. км, то приближаясь к нему до расстояния 206,7 млн. км.

При внимательном наблюдении за движением Марса можно заметить, что в течение года направление его движения по небосклону меняется. Кстати, это заметили ещё древние наблюдатели. В определённый момент кажется, что Марс движется в обратном направлении. Но это движение лишь кажущееся с Земли. Никакого обратного движения по своей орбите Марс, естественно, совершать не может. А видимость обратного движения создается потому, что орбита Марса по отношению к орбите Земли внешняя, а средняя скорость движения по орбите вокруг Солнца у Земли выше (29,79 км/с), чем у Марса (24,1 км/с). В момент, когда Земля начинает обгонять Марс в своём движении вокруг Солнца, и создаётся впечатление, что Марс начал обратное или, как называют астрономы, ретроградное движение. Схема обратного (ретроградного) движения хорошо иллюстрирует это явление.

Основные характеристики Марса

Наименование параметров	Количественные показатели
Среднее расстояние до Солнца	227,9 млн. км
Минимальное расстояние до Солнца	206,7 млн. км
Максимальное расстояние до Солнца	249,1 млн. км
Диаметр экватора	6786 км (Марс почти вдвое меньше Земли по размерам - его экваториальный диаметр составляет ~53 % земного)
Средняя орбитальная скорость вращения вокруг Солнца	24,1 км/с
Период вращения вокруг собственной оси (Сидерический экваториальный период вращения)	24ч 37 мин 22,6 с
Период обращения вокруг Солнца	687 сут
Известные естественные спутники	2
Масса (Земля = 1)	0,108 (6,418×10 23 кг)
Объём (Земля = 1)	0,15
Средняя плотность	3,9 г/см³
Средняя температура поверхности	минус 50°С (перепад температур составляетот −153 °C на полюсе зимой и до +20 °C на экваторе в полдень)
Наклон оси	25°11"
Наклон орбиты по отношению к эклиптике	1°9"
Давление на поверхности (Земля = 1)	0,006
Состав атмосферы	СО 2 - 96%, N - 2,7%, Ar - 1,6%, O 2 - 0,13%, H 2 O (пары) - 0,03%
Ускорение свободного падения на экваторе	3,711 м/с² (0,378 земного)
Параболическая скорость	5,0 км/с (для Земли 11,2 км/с)

Из таблицы видно, с какой высокой точностью определены основные параметры планеты Марс. Это не вызывает удивления, если иметь ввиду, что для астрономических наблюдений и исследований теперь используются самые современные научные методы и высокоточная аппаратура. Но совсем с другим чувством мы относимся к таким фактам из истории науки, когда учёные прошлых веков, часто не имевшие в своём распоряжении никаких астрономических приборов, кроме самых простых телескопов с небольшим увеличением (максимум в 15-20 раз), производили точные астрономические вычисления и даже открывали законы движения небесных тел.

Для примера вспомним, что итальянский астроном Джандоменико Кассини уже в 1666 году (!) определил время вращения планеты Марс вокруг своей оси. Его вычисления дали результат 24 часа 40 минут. Сравните этот результат с периодом вращения Марса вокруг своей оси, определённым с помощью современных технических средств (24 часа 37 мин. 23 секунды). Нужны ли тут наши комментарии?

Или такой пример. в самом начале XVII века открыл законы движения планет, не располагая ни точными астрономическими приборами, ни математическим аппаратом для вычисления площадей таких геометрических фигур как эллипс и овал. Страдая от дефекта зрения, он проводил точнейшие астрономические измерения.

Подобные примеры показывают большое значение активности и воодушевления в науке, а также преданности делу, которому человек служит.

© Владимир Каланов,
"Знания-сила"

Уважаемые посетители!

У вас отключена работа JavaScript . Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!

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:

• Двуокись углерода — 96%.
• Аргон — 2,1%.
• Азот — 1,9%.

В 2003 году обнаружен метан. Открытие подстегнуло интерес к Красной планете, многие страны запустили программы исследования, которые привели к разговорам о полётах и колонизации.

Из-за маленькой плотности температурный режим не регулируется, поэтому перепады составляют в среднем 100 0 С. В дневное время устанавливаются достаточно комфортные условия +30 0 С, а ночью температура поверхности падает до -80 0 С. Давление составляет 0,6 кПа (1/110 от земного показателя). На нашей планете подобные условия встречаются на высоте 35 км. Это главная опасность для человека без защиты — его убьёт не температура или газы, а давление.

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.

• Тропосфера — до 20 км.
• Стратомезосфера — до 100 км.
• Термосфера — до 200 км.
• Ионосфера — до 500 км.

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

На отметке более 20-30 км располагается термосфера — верхние области. Состав остается стабильным до высоты 200 км. Здесь наблюдается высокое содержание атомарного кислорода. Температура достаточно низкая — до 200-300 К (от -70 до -200 0 С). Далее идет ионосфера, в которой ионы вступают в реакцию с нейтральными элементами.

Нижняя атмосфера

В зависимости от времени года граница этого слоя меняется, и эта зона именуется тропопаузой. Далее простирается стратомезосфера, температура которой в среднем составляет -133 0 С. На Земле здесь содержится озон, защищающий от космического излучения. На Марсе он скапливается на высоте 50-60 км и далее практически отсутствует.

Состав атмосферы

Земная атмосфера состоит из азота (78%) и кислорода (20%), в небольших количествах присутствует аргон, углекислый газ, метан и т.д. Такие условия считаются оптимальными для возникновения жизни. Состав воздуха на Марсе существенно отличается. Основным элементом марсианской атмосферы является углекислый газ — порядка 95%. На азот приходится 3%, а на аргон 1,6%. Общее количество кислорода — не более 0,14%.

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:

• Озон — практически отсутствует, имеется одна область скопления в 30-60 км от поверхности.
• Вода — содержание в 100-200 раз меньше, чем в самом засушливом регионе Земли.
• Метан — наблюдаются выбросы неизвестной природы, и пока наиболее обсуждаемое вещество для Марса.

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:

• Низкое атмосферное давление не способно сохранять воду в жидком состоянии длительное время, как это происходит на Земле.
• Гравитация не достаточна сильная, чтобы удерживать облака пара.
• Из-за отсутствия магнитного поля вещество уносится частицами солнечного ветра в космос.
• При значительных перепадах температуры вода может сохраняться только в твёрдом состоянии.

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:

• Отсутствие защиты от излучения солнца и постепенно истощение атмосферы на протяжении миллионов лет.
• Столкновение с метеоритом или иным космическим телом, моментально уничтожившим атмосферу.

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 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.

Знакомство с любой планетой начинается с её атмосферы. Она обволакивает космическое тело и защищает его от внешних воздействий. Если атмосфера сильно разреженная, то такая защита чрезвычайно слабая, а вот если она плотная, то планета находится в ней как в коконе – примером здесь может служить Земля. Однако такой пример в Солнечной системе единичный и не распространяется на другие планеты земной группы.

А поэтому атмосфера Марса (красная планета) чрезвычайно разреженная. Её примерная толщина не превышает 110 км, а плотность в сравнении с земной атмосферой равна всего 1%. В добавлению к этому у красной планеты чрезвычайно слабое и неустойчивое магнитное поле. Как результат, солнечный ветер вторгается на Марс и рассеивает атмосферные газы. В результате этого в сутки планета теряет от 200 до 300 тонн газов. Всё зависит от солнечной активности и от расстояния до светила.

Отсюда не трудно понять, почему атмосферное давление очень низкое. На уровне моря оно меньше земного в 160 раз . На вулканических вершинах оно составляет 1 мм рт. ст. А в глубоких впадинах его величина достигает 6 мм рт. ст. Средняя величина на поверхности равна 4,6 мм рт. ст. Такое же давление фиксируется в земной атмосфере на высоте 30 км от поверхности Земли. С такими величинами вода не может в жидком состоянии присутствовать на красной планете.

В атмосфере Марса углекислого газа содержится 95% . То есть можно говорить, что он занимает господствующее положение. На втором месте находится азот. Его насчитывается почти 2,7%. Третье место занимает аргон – 1,6%. А кислород находится на четвёртом месте – 0,16%. Присутствуют также в небольшом количестве угарный газ, водяной пар, неон, криптон, ксенон, озон.

Состав атмосферы таков, что дышать на Марсе людям невозможно . Передвигаться по планете можно только в скафандре. В то же время надо отметить, что все газы химически инертны и среди них нет ни одного ядовитого. Если бы давление на поверхности было хотя бы 260 мм рт. ст., то по ней можно было бы передвигаться без скафандра в обычной одежде, имея только дыхательный аппарат.

Некоторые специалисты считают, что несколько миллиардов лет назад атмосфера Марса была значительно плотнее и с большим содержанием кислорода. На поверхности имелись реки и озёра из воды. На это указывают многочисленные природные образования, напоминающие собой высохшие русла рек. Возраст их оценивается примерно в 4 млрд. лет.

Из-за высокой разреженности атмосферы температура на красной планете характеризуется высокой неустойчивостью. Наблюдаются резкие суточные колебания, а также высокая температурная разница в зависимости от широт. Средняя температура равна –53 градуса по Цельсию . Летом на экваторе средняя температура составляет 0 градусов по Цельсию. В то же время она может колебаться в дневное время от +30 до –60 ночью. А вот на полюсах наблюдаются температурные рекорды. Там температура может падать до –150 градусов по Цельсию.

Несмотря на низкую плотность, в атмосфере Марса часто наблюдаются ветра, смерчи, бури. Скорость ветра доходит до 400 км/ч. Она поднимает вверх розовую марсианскую пыль, и та закрывает поверхность планеты от любопытных взглядов людей.

Надо сказать, что хотя марсианская атмосфера и слабенькая, но у неё хватает сил противостоять метеоритам. Незваные гости из космоса, падая на поверхность, частично сгорают, а поэтому на Марсе не так уж и много кратеров. Мелкие метеориты сгорают в атмосфере полностью и не причиняют соседу Земли никакого вреда.

Владислав Иванов

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.