МАРС
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МАРС, четвёртая по удалённости от Солнца планета Солнечной системы и одна из пяти планет, хорошо видимых невооружённым глазом. Назван в честь бога войны Марса за красноватый цвет (иногда М. называют Красной планетой); астрономич. знак ♂. Вместе с Меркурием, Венерой и Землёй образует семейство планет земной группы.
История исследований Марса
При наблюдении с Земли угловой размер М. изменяется от 3,5″ в верхнем соединении до 25″ в противостоянии, поэтому телескопич. наблюдения выявляют лишь наиболее крупные детали поверхности (белые полярные шапки, тёмные области). Интерес к М. долгое время был связан с надеждой найти на нём разумную жизнь. Это объясняется тем, что в 1877 Дж. В. Скиапарелли обнаружил сеть прямых линий на поверхности М., которую некоторые исследователи интерпретировали как каналы искусств. происхождения (это предположение не подтвердилось). Наземные наблюдения позволили определить общие характеристики М., получить информацию о широтных и сезонных изменениях темп-ры поверхности, проследить рост и сокращение полярных шапок, а также дать первые оценки плотности и состава атмосферы планеты.
Исследования М. с использованием КА начались в 1960. На протяжении 2-й пол. 20 в. и в нач. 21 в. КА к Марсу отправляли СССР (позднее Россия), США, Япония и Европ. союз. Однако значит. часть этих космич. миссий потерпела неудачу на разных этапах полёта. Первым КА, приблизившимся к М. на расстояние менее 10 тыс. км, был «Mariner-4» (США, 1965). Аппарат передал на Землю фотографии поверхности М. и ряд др. сведений. Первая мягкая посадка на поверхность М. была осуществлена КА «Марс-3» (СССР, 1971). На поверхности М. успешно работали посадочные модули американских КА серии «Viking» (1976), «Mars Pathfinder» (1997), «Phoenix» (2008), марсоходы «Mars Exploration Rovers» (с 2004). Начиная с 1997 поверхность М. и его атмосфера успешно исследовались также с околопланетных орбит американскими КА «Mars Global Surveyor», «Mars Odyssey», «Mars Reconnaissance Orbiter» и европейским КА «Mars Express».
Общие характеристики планеты
М. вращается вокруг Солнца по эллиптич. орбите (большая полуось 1,524 астрономич. единицы, 228 млн. км) с заметным эксцентриситетом (0,0934). Расстояние М. от Солнца изменяется от 207 млн. км в перигелии до 249 млн. км в афелии. Миним. расстояние М. от Земли (56 млн. км) достигается во время т. н. великих противостояний, когда Солнце, Земля и М. располагаются на одной прямой, причём М. находится вблизи перигелия. Суммарный поток солнечного излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на орбите М. составляет в ср. 589 Вт/м2, т. е. у поверхности М. на ту же площадь и за то же время приходится в 2,3 раза меньше солнечной энергии, чем у поверхности Земли. Период обращения М. вокруг Солнца (сидерич. период) составляет 1,88 земного года. Плоскость орбиты М. наклонена к плоскости эклиптики на угол 1,85°. Период осевого вращения М. близок к земному: звёздные сутки составляют 24 ч 37 мин 23 с, ср. солнечные сутки – 24 ч 39 мин 35 с. Наклон оси вращения М. (угол между осью вращения М. и перпендикуляром к плоскости орбиты) близок к земному – ок. 25,2° (ок. 23,4° у Земли).
Экваториальный радиус М. составляет 3397 км (0,53 от земного), полярный радиус на 21 км меньше. Масса М. равна 6,418· 1023 кг (ок. 0,11 массы Земли), ср. плотность – 3930 кг/м3 (0,71 земной плотности). Ускорение свободного падения на экваторе М. составляет 3,71 м/с2 (0,376 земного), первая и вторая космич. скорости равны соответственно 3,6 км/с и 5,02 км/с. Поскольку на М. нет океанов, за поверхность нулевой высоты условно принимают воображаемую поверхность, на которой атмосферное давление составляет 610 Па (ок. 0,006 давления атмосферы Земли на уровне моря). Используется также и др. система отсчёта высот, основанная на результатах альтиметрии, проведённой лазерным высотомером MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter) с борта станции «Mars Global Surveyor». В этом случае за поверхность отсчёта принимается поверхность трёхосного эллипсоида, которым описывается форма М. Расхождение между оценками высот в соответствии с этими системами может достигать нескольких километров. Высоты вулканов, как и глубины кратеров, часто оцениваются по отношению к окружающей местности.
Модели внутр. строения планеты предполагают наличие горячего ядра, радиус которого составляет почти половину радиуса планеты. Ядро состоит преим. из железа и серы, окружено силикатной мантией. Толщина внешнего слоя планеты (коры) составляет неск. десятков километров (больше, чем у земной коры).
М. имеет два естественных спутника, Фобос и Деймос, открытых в 1877. Это маленькие твёрдые тела неправильной формы, возможно, бывшие астероиды из Главного пояса астероидов, захваченные М. Их осевое вращение происходит синхронно с орбитальным (т. е. спутники всегда повёрнуты к М. одной стороной). На поверхности спутников множество кратеров ударного происхождения.
Поверхность Марса
Бóльшая часть поверхности М. покрыта древними кратерами. Выделяются также другие (сравнительно молодые) элементы рельефа: хребты, долины (тектонич. и эрозионного происхождения), равнины, лежащие как выше, так и ниже поверхности нулевого уровня. Поверхность М. обладает глобальной асимметрией. Бoльшую часть сев. полушария планеты занимают сравнительно молодые гладкие низменные равнины; глубина Великой Сев. равнины (Vestitas Borealis), отсчитываемая от поверхности нулевого уровня, достигает 4–5 км. Поверхность б. ч. юж. полушария представляет собой равнины, приподнятые на выс. 1–4 км и покрытые множеством кратеров, в осн. древних. В юж. полушарии имеются также низменные равнины приблизительно круглой формы, называемые бассейнами: Эллада (Hellas Planitia) диаметром 2300 км и глубиной до 8 км и Аргир (Argyre Planitia) диаметром 800 км и глубиной ок. 3 км. Предполагается, что эти равнины имеют ударное происхождение.
В экваториальной области М. расположена горная система Фарсида (Tharsis) протяжённостью ок. 6000 км со множеством потухших вулканов. В ней выделяется ряд высоких гор вулканич. происхождения: самая высокая в Солнечной системе гора Олимп (Olympus Mons) выс. 28 км и с диаметром основания 600 км, а также горы Аскрийская (Ascraeus Mons), Павонис (Pavonis Mons) и Арсия (Arsia Mons), имеющие диаметры основания 400–500 км и достигающие выс. 24–25 км (рис. 1). В низких широтах юж. полушария находятся долины Маринера (Valles Marineris) – величайшая в Солнечной системе сеть каньонов глубиной более 6 км, протянувшаяся с запада на восток более чем на 4000 км.
Самые крупные марсианские кратеры: Гюйгенс (диаметр 470 км, глубина ок. 4 км), Скиапарелли (диаметр 465 км, глубина 2 км), Кассини (диаметр 411 км, глубина 1 км). Самый глубокий кратер (Ньютон) имеет глубину 5 км. В ударных кратерах М. заметны следы ветровой и, возможно, водной эрозии. Под поверхностью М. находится слой мерзлоты, содержащий водяной лёд (толщина и глубина залегания в разных местах планеты различаются). Некоторые молодые марсианские кратеры характеризуются радиальными выбросами грунта (по виду напоминающими потоки) в местах вскрытия подповерхностного льда.
Поверхность Марса состоит гл. обр. из базальта, местами обогащённого силикатами, обнаружены также карбонаты и глинистые минералы. Бóльшая часть поверхности покрыта слоем пыли. Красноватый цвет поверхности объясняется присутствием оксида железа (Fe2O3). Спектр ИК-излучения разл. областей М. позволил предположить наличие оливина – минерала, связанного с вулканич. активностью и широко распространённого на Земле.
Полярные шапки
В полярных областях М. наблюдаются т. н. полярные шапки, состоящие из водяного льда и сухого льда (твёрдой фазы диоксида углерода). Размер этих шапок зависит от времени года: шапки начинают расти осенью, достигая зимой широты 50°. Макс. диаметр шапок составляет ок. 1000 км в сев. полушарии и 350 км – в южном. Толщина шапок в зимний период может превышать 1 км. Верхний слой шапок состоит из сухого льда толщиной ок. 1 м в сев. полушарии и неск. метров – в южном. Летом размеры шапок уменьшаются. Т. н. остаточные шапки (рис. 2), существующие в летнее время, в сев. полушарии состоят из водяного льда, в южном – из сухого и водяного льдов. Радарные измерения, проведённые с КА «Mars Reconnaissance Orbiter», выявили под юж. полярной шапкой отложения сухого льда, масса которого, по-видимому, превышает суммарную массу диоксида углерода в атмосфере.
Атмосфера Марса
М. имеет сильно разреженную атмосферу, состоящую из диоксида углерода (95%), азота (3%), аргона (1,6%), кислорода (0,13%), водяного пара (ок. 0,1%) и оксида углерода (0,07%). Из-за большого перепада высот атмосферное давление у поверхности планеты сильно различается: на ср. уровне поверхности оно составляет 610 Па (примерно в 160 раз меньше земного), макс. значение достигается в бассейне Эллада (более 900 Па), минимальное (менее 50 Па) – на вершине горы Олимп. Атмосферное давление на М. подвержено сезонным вариациям (особенно вблизи полюсов), что связано с сезонной конденсацией и последующей сублимацией в полярных областях примерно четверти общего количества атмосферного диоксида углерода. Перепад давлений вызывает сильные ветры, возникающие в период таяния полярных шапок. Сезонным вариациям подвержено и содержание водяного пара: оно максимально в полярных областях во время таяния полярных шапок.
Атмосферу М. принято разделять на следующие слои: нижняя атмосфера (тропосфера), средняя атмосфера (мезосфера), верхняя атмосфера (термосфера) и экзосфера. Тропосфера нагревается поверхностью М. и атмосферной пылью (которые, в свою очередь, нагреваются, поглощая солнечное излучение); темп-ра здесь понижается с высотой. В вечерние часы поверхность остывает быстрее, чем атмосфера, поэтому наблюдаются температурные инверсии у поверхности. В мезосфере темп-ра, как правило, также понижается с высотой, хотя нередки и температурные инверсии; здесь преобладают крупномасштабные атмосферные течения. В термосфере темп-ра повышается с высотой. Экзосфера, лежащая выше 200 км, – наиболее разреженная часть атмосферы, откуда газы покидают планету. Стратосфера на М. (как и на Венере) отсутствует.
В атмосфере М. обнаружен метан, который в условиях М. является нестабильным газом (время жизни – неск. сотен лет). Следовательно, должен существовать постоянный (либо эпизодический) источник его пополнения. Предположительно в роли такого источника могут выступать вулканич. активность, столкновение с кометой, жизнедеятельность бактерий, а также химич. процессы небиологич. характера, происходящие в коре.
Аэрозоль в атмосфере М. представлен силикатной пылью и облаками из водяного и сухого льдов. Диоксид углерода может конденсироваться в полярных районах во время полярной ночи на высоте ниже 20 км, гл. обр. в виде снега. Облака из водяного льда наблюдаются в полярных областях от осени до весны; КА «Phoenix» зафиксировал снегопад в сев. полярной области осенью. В период, когда М. находится вблизи афелия, на нём виден экваториальный пояс облаков, а также орографич. облака над вулканами (последние могут наблюдаться также в др. сезоны, но они не такие мощные). Типичные марсианские облака (рис. 3) напоминают перистые облака Земли.
В атмосфере М. всегда присутствует тонкая пыль. В период, когда планета проходит перигелий, таяние полярных шапок происходит наиболее интенсивно и в атмосферу поступает много пыли и паров воды. В это время на М. часто происходят глобальные пылевые бури, которые захватывают всю планету и делают атмосферу непрозрачной. В отд. районах возникают локальные пылевые бури, а также мощные пылевые смерчи.
Климат Марса
На М., как и на Земле, происходит смена сезонов. Лето в сев. полушарии холоднее, чем в южном, поскольку в этот период М. проходит афелий. В холодное время года иней на поверхности может образовываться даже вне полярных шапок. Климат на М. очень суров и безводен. Однако в далё- ком прошлом на М., по-видимому, были более тёплые периоды, когда вода могла находиться в жидком состоянии. На это указывают, в частности, элементы рельефа, напоминающие пересохшие русла (рис. 4), которые могли возникнуть в результате водной или грязевой эрозии. Такие русла часто наблюдаются в областях с большим количеством древних кратеров. Вид поверхности в этих местах позволяет предположить, что период тёплого климата на планете был до эры интенсивной метеоритной бомбардировки (3,8 млрд. лет назад).
В то время когда Марс находится вблизи перигелия (что соответствует лету в юж. полушарии), темп-ра поверхности М. в экваториальной области может достигать 300 К (27 °C), однако ночью темп-ра падает ниже 200 К (–73 °С). Миним. температуры поверхности фиксируются на полюсах во время полярной ночи и достигают 145 К (–128 °С); при такой темп-ре (и марсианском атмосферном давлении) атмосферный диоксид углерода переходит в твёрдое состояние.
Ионосфера Марса
М. не имеет глобального магнитного поля, однако в юж. полушарии зарегистрированы сильные локальные магнитные аномалии. Марсианская ионосфера расположена на высоте более 110 км над поверхностью планеты, причём максимум концентрации электронов (ок. 105 см–3) наблюдается на высоте ок. 130 км. Бóльшая часть ионов образуется вследствие ионизации газов атмосферы УФ-излучением Солнца. В отсутствие глобального магнитного поля планеты солнечный ветер взаимодействует непосредственно с ионосферой. Захват атмосферных ионов потоком солнечного ветра приводит к потере атмосферой части газов, в частности кислорода. На ночной стороне планеты силовые линии межпланетного магнитного поля вытягиваются вдоль направления Солнце – Марс и формируют магнитный шлейф М., в центре которого наблюдаются интенсивные потоки ускоренных ионов.