Пылевые бури на Марсе. Возможно ли их предсказание? Температура на марсе - холодная загадка Пыльные бури на марсе
Известно, что на Марсе свирепствуют пылевые бури, эти бури бывают невероятно масштабными и могут овевать всю планету. Кроме того, поверхность Марса усеяна бесчисленными смерчами, мечущимися по его равнинам и вздымающими пыль, увлекаемую в уникальный для планеты «пылевой цикл».
Сделанные с орбиты, показывают, что основной причиной эрозии на Марсе являются ветра. Обширные дюнные равнины, замысловатые скальные образования и небеса, подёрнутые дымкой - таков этот суровый ветреный мир.
Писатели-фантасты быстро подхватили идею частых штормов, которые издалека выглядят устрашающими. Исполинские стены пыли, на фоне которых величайшие земные пылевые или песчаные бури выглядят нелепыми карликами, сверкающие копья молний, возникшие из-за атмосферного трения, чудовищные ураганы, сметающие всё на своём пути, расшвыривающие астронавтов и корёжащие оборудование.
Увы, реалии марсианских пылевых бурь несколько более скромны - факт, который НАСА хочет донести до аудитории, с нетерпением ожидающей нового фильма Ридли Скотта «Марсианин».
Действие фильма, снятого по бестселлеру Энди Уира, происходит в недалёком будущем во время пилотируемой экспедиции на Марс. Из-за свирепой пылевой бури миссия терпит неудачу, планетарная база повреждена, а один из астронавтов, Марк Уотни (в исполнении Мэтта Дэймона) теряется после повреждения скафандра и коллеги решают, что он погиб в жутких марсианских ветрах.
Но, как и множество других спекуляций фантастов на тему Марса, эта сцена вводит зрителя в заблуждение, так как у учёных несколько иные данные о его атмосферном давлении.
Хотя, разумеется, пылевые бури Марса по-своему опасны, крайне маловероятно, что они кого-нибудь расшвыряют или что-нибудь покорёжат. Сильнейший марсианский ветер дует со скоростью 60 миль в час (менее 30 метров в секунду), вполовину меньше какого-нибудь земного урагана. По сути, впрочем, повреждения наносит не столько сама скорость ветра, сколько атмосферное давление, с которым на Марсе как раз туговато. Оно составляет примерно один процент от земного, так что если вы решите заняться кайтингом на Красной Планете, вас ждёт неслабое разочарование.
«Основная разница между атмосферами Земли и Марса в том, что давление на последнем гораздо ниже», - говорит физик Уильям Фаррелл из Центра космических полётов Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, занимающийся анализом марсианских пылевых бурь. «Поэтому, конечно, ветра дуют, но не так уж сильно».
Хотя самый неистовый ураган на Марсе по земным меркам будет скорее похож на бриз, марсианские пылевые бури всё же могут стать проблемой для будущих астронавтов, особенно если они будут зависимы от солнечной энергии.
В «Марсианине» Уотни каждый день чистит солнечные панели, чтобы они не зарастали пылью. Как показал опыт марсоходов на солнечных батареях, в частности ветерана НАСА Opportunity, который ездит по Марсу на солнечной тяге вот уже десять лет, это серьёзная проблема, серьёзно влияющая на объём получаемой энергии. Когда атмосфера насыщается мелкодисперсной пылью во время бурь, солнечный свет практически не достигает поверхности.
«Мы беспокоимся за энергообеспечение марсоходов, это важный вопрос», - говорит учёный Майкл Смит, также из центра Годдарда. «Аппатары Spirit и Opportunity были доставлены на планету в 2004-м году и пока что попали только в одну серьёзную пылевую бурю (в 2007-м), но тогда им пришлось фактически прекратить функционировать и перейти в режим жизнеобеспечения на несколько недель».
Но мелкодисперсная пыль причиняет неудобства не только в связи с солнечными панелями. Мало того, что её частицы намагничены, они ещё покрыты острыми зазубринами (так как на Марсе нет других эрозийных процессов, чтобы их обкатать), способными нанести механические повреждения.
«Если вы видели фотографии Curiosity после поездки, то помните, что его будто бы выкопали из ямы», - добавил Смит. «Пыль покрывает всё, как одеяло, и забивается во все движущиеся сочленения».
Пыльная атмосфера Марса, несомненно, доставит хлопот наземным аппаратам, а также здоровью астронавтов, если когда-нибудь мы отправим туда долгосрочную экспедицию (вдобавок к повышенному уровню радиации и токсичным веществам в марсианском реголите и почве). Кроме того, причины, вызывающие планетарные пылевые бури, пока изучены крайне плохо.
«Сравнительно большие пылевые бури случаются на Марсе каждый год, они приобретают континентальные размеры и длятся по нескольку недель каждая», - говорит Смит. «Но каждые три марсианских года (примерно пять с половиной земных) обычная буря разрастается до планетарных размеров, такие мы называем "глобальный пылевой шторм"».
«Может быть, буре требуется время, чтобы собраться с силами. Может, есть какой-то цикл, через который ей нужно пройти, а потом попасть в нужное место и запустить новую бурю, а может это просто дело случая».
Человечество наблюдало глобальные пылевые штормы на Марсе с 1909 года, последний случился в 2007-м, так что Марс как раз в ожидании нового гиганта.
«Мы ждём глобального шторма, и в этот раз он обещает быть действительно грандиозным, так что это будет весело», - говорит он. «Обожаю пылевые штормы».
С каждой следующей бурей на Марсе мы узнаём всё больше и больше о происходящих там процессах, чтобы лучше подготовиться к первой высадка на эту пыльную, незнакомую планету. Но что касается, свирепых штормов, можно быть уверенным, что никого, кроме марсианина Уотни, его ветрами не сдует.
Глобальные пылевые бури могут стать предсказуемыми, это естественно упростить жизнь будущих марсианских первопроходцев. В новом исследовании удалось построить модель, указывающую, что Красная планета переживет подобное событие в ближайшие несколько месяцев. Она также указывает, что его начало ожидается 29-го октября или спустя нескольких недель от обозначенной даты.
Локальные пылевые бури очень частое явление на Марсе. Они иногда растут, сливаются и формируют региональную, особенно на протяжении южной весны и лета, когда происходит максимальное приближение планеты к Солнцу. Довольно часто региональные бури являются причиной образования пылевого тумана, который опоясывает планету и не позволяет видеть поверхность сверху.
Но иногда, региональные трансформируются в глобальные; одну из них, в 1971 году, наблюдал первый космический аппарат, выведенный на орбиту Марса, Mariner-9, а также советские станции «Марс-2 и -3». Создание своего рода шаблона, по которому можно определять за несколько лет начало глобальных штормов, до настоящего времени считается нерешенной задачей.
Последняя буря в планетарном масштабе происходила в 2007 году. Именно тогда существенно снизился поток солнечного света к поверхности, что привело к проблемам в эксплуатации двух вездеходов – Spirit и Opportunity. Собственно, это событие стало первой значительной угрозой для вездеходов с момента посадки.
Понадобилось принять особенные меры для обеспечения их выживания на протяжении нескольких недель, в условиях с малым потоком солнечного света. Оба вездехода работали всего несколько минут ежедневно, и то только, чтобы обеспечить подогрев бортового оборудования, а затем отключались и в течение следующего дня вообще не общались с Землей.
Пылевые бури создадут серьезные проблемы первым колонистам Красной планеты. Несмотря на то, что сила ветра там не так сильна, как изображается в фильме «Марсианин», пыль во время штормов однозначно повлияет на электронику, а также доступность солнечного света.
Начиная с 1924 года, на Красной планете удалось зафиксировать 9 глобальных пылевых бурь, из которых последних пять обнаружены в период 1977-2007 гг. Понятно, что их число, несомненно, больше. Дело в том, что в какие-то периоды времени на орбите Марса не было исследовательских аппаратов, чтобы с близкого расстояния наблюдать подобное явление. С Земли их увидеть крайне затруднительно.
Исследование обнаружило закономерность в наступлении бурь, если точно учитывать орбитальное движение Марса. Было обнаружено, что иногда другие небесные тела оказывают влияние на его вращение вокруг Солнца. В случае если влияние увеличивается, глобальные бури обычно происходят в ходе первой части сезона штормов. Ни одна из них не произошла в те годы, когда влияние уменьшалось.
Настоящие условия на Марсе очень похожи на те, когда глобальные шторма происходили в прошлом. Наблюдения атмосферы в ближайшие месяцы позволит проверить, является ли прогноз правильным.
Пыльные бури проносятся над поверхностью Марса каждый год. Иногда они разрастаются настолько, что скрывают планету из виду. Это может поставить будущих колонистов в затруднительное положение: некоторые бури могут длиться по нескольку месяцев, заслоняя собой солнечный свет и лишая солнечные батареи источника энергии. В настоящее время точного способа прогнозирования подобных бурь нет, но по расчетам ученых в течение ближайших месяцев на Красной планете будет бушевать сильнейший пыльный шторм, и если это действительно произойдет, то в будущем отслеживать катаклизмы будет намного проще.
Скорее всего, глобальные пыльные бури происходят тогда, когда Марс оказывается ближе всего к Солнцу. По словам Джеймса Ширли, астронома из Лаборатории реактивного ускорения НАСА и автора статей об исследованиях марсианских штормов, чем сильнее нагревается пыль в атмосфере, тем быстрее она движется, так что это вполне логично. Иногда столб пыли поднимается в атмосферу на 60 километров (для сравнения, высота Эвереста составляет всего 8,848 километров). Прогнозирование подобных штормов осложняется в первую очередь тем, что нам о них известно очень немного. «С одной стороны, они не должны происходить вовсе, а с другой — пылевые штормы должны длиться постоянно, поскольку Марс хорошо освещен Солнцем и сильно нагревается под его лучами. Причины того, почему бури возникают периодически и нерегулярно, нам пока не известны», говорит Ширли.
Пыльная буря может помешать не только работе космонавтов на самой планете, она может попросту не дать челноку приземлиться на Марс. Когда атмосфера нагревается и пыль приходит в движение, она не только ухудшает видимость и скрывает зону посадки (из-за чего корабль запросто может приземлиться, к примеру, в ущелье), но и вызывает нагревание обшивки из-за трения, что может негативно сказаться на работе систем корабля. Как бы то ни было, скорость ветра в огромных пыльных штормах ниже, чем на Земле: атмосфера Марса намного тоньше земной, и ветер не развивает скорость выше 90−120 км/ч. К тому же, из-за разреженной атмосферы даже самый быстрый ураган будет ощущаться как ветер со скоростью примерно 16 км/ч на Земле, как объясняет Стив Хоффман, аэрокосмический инженер в Космическом центре Джонсона НАСА. «Такой ветер не опрокинет ни космонавта, ни ракету», говорит он. Тем не менее, большая буря может засорить щели в обшивке корабля и техники мусором, оставить солнечные батареи без источника энергии и таким образом нанести серьезный вред работе космонавтов и марсоходов. К примеру, роверы Spirit и Opportunity, попавшие в пыльный шторм в 2007 году, ждали неделями, имея возможность подзаряжаться лишь в течение нескольких минут в день, когда буря ослабевала и небо ненадолго прояснялось.
То, как хорошо астронавты смогут подготовиться к буре, зависит от степени их информированности. Чем раньше удастся предсказать приход бури, тем больше у них шансов минимизировать последствия ее разрушительной деятельности. Одной из возможных стратегий может стать переход на альтернативные источники энергии. Марсоход Curiosity, например, использует радиоизотопную систему питания, получая энергию из плутония. Неплохой идеей может оказаться расщепление воды на водород и кислород, но, к сожалению, водород взрывоопасен, а плутоний радиоактивен, так что ни один из этих методов не выглядит в глазах НАСА особо привлекательным, когда речь идет об экспедиции с живыми людьми. Кроме того, есть еще одна опасность: марсианская пыль содержит токсичные перхлораты и персульфаты, которые могут проникнуть в костюмы (пыль очень мелкая, поэтому маловероятно, что даже на борту челнока астронавтам удастся полностью избежать контакта с ней тем или иным путем). «Любые люки, воздуховоды, вращающиеся детали костюма и щели могут стать воротами для пыли, что может привести к банальному механическому износу оборудования», делится своими опасениями Хоффман.
В прошлом году Джеймс Ширли исследовал то, как вращение Марса вокруг центра Солнечной системы может быть связано с возникновением пыльных бурь. Может показаться удивительным, но центром системы не всегда является Солнце, хотя светило и не отдаляется от него. Приятжение планет иногда увлекает за собой звезду, поэтому она пребывает в постоянном движении. В этот процесс вовлечен и Марс, и ученые полагают, что именно приближение и отдаление планеты от Солнца и заставляет атмосферу то нагреваться, то охлаждаться, отчего бури происходят с периодической частотой. Они смоделировали планетарные циклы движения пыли и убедились, что восемь из девяти крупных пылевых бурь, которые происходили за последнее время, примерно соответствовали ожидаемым прогнозам. Это знание поможет не только космическим экспедициям, но также может оказаться полезно и для земных условий: Ширли уверен, что, изучая физические явления на Марсе, ученые смогут соотнести их с похожими процессами на Земле.
На протяжении вот уже более ста лет писатели-фантасты со всего мира пытаются представить то, на что была бы похожа жизнь космонавтов на Марсе. Но, по мере того как человечество становится всё более и более осведомлённым о марсианских условиях, описание жизни на Марсе научных фантастов становятся всё более реалистичными. Из недавнего - фильм «Марсианин», в основе которого лежит научно-фантастический роман Энди Уира. Главный герой «Марсианина» в силу непредвиденных обстоятельств остаётся один на красной планете и начинает борьбу за выживание. А в начале XX века американский автор Эдгар Райс Берроуз уже грезил путешествиями на Марс. Справедливости ради стоит сказать, что красная планета настолько захватывала людей, поэтому о ней выпустил серию рассказов даже знаменитый богослов и автор фэнтезийных историй Клайв Стейплз Льюис. Именно он создал цикл «Хроники Нарнии ».
Представление художника о том, как пылевая буря на Марсе надвигается на исследовательскую станцию. Такие явления на красной планете вполне могут сопровождаться разрядами атмосферного электричества. Источник: NASA
Роман «Марсианин» начинается с огромной песчаной бури, которая повреждает передающую антенну и часть оборудования, из-за чего вымышленный персонаж Марк Уотни остаётся на Марсе, в то время как другие участники миссии улетают, посчитав его погибшим. Такое развитие событий выглядит очень правдоподобным, поскольку Марс зн аменит своими очень активными песчаными бурями, которые иногда становятся такими большими, что их можно наблюдать в телескопы на Земле.
«Каждый год на Марсе возникают умеренно крупные песчаные бури, которые покрывают области размерами с земной континент и длятся в течение недель после своего образования. Но примерно каждые три марсианских года (5.5 земных лет) обычные ураганы превращаются в гигантские штормы, которые способны окутать всю планету», - Майкл См ит, планетолог из Центра космических полётов НАСА.
Учёные считают маловероятным то, что даже планетарные песчаные бури на Марсе будут в состоянии привести к тяжёлым последствиям. Даже самые сильные ветра, которые в это время дуют, не смогут разрушить или даже опрокинуть специально развёрнутое механическое оборудование. Ветер в самых сильных марсианских ураганах достигает скоростей приблизительно ста километров в час, это более чем вполовину слабее скоростей некоторых ураганов на Земле. Именно поэтому сосредотачиваться только лишь на скорости ветра не стоит. Плотность атмосферы Марса составляет примерно один процент пл отности атмосферы Земли. Это означает то, что для того, чтобы запустить земного бумажного змея на красной планете, ветер должен дуть намного сильнее.
«Основное отличие между Землёй и Марсом заключается в том, что атмосферное давление на Марсе намного меньше. Таким образом, вещи и предметы могут быть унесены с его поверхности, но не с такой же силой, как на Земле», - Уильям Фаррел , физик, изучающий плазму.
Проблемы солнечной энергетики
Но как бы то ни было, песчаные бури Марса не являются полностью безвредными. Отдельные частицы пыли на красной планете очень мелкие и немного электростатические, таким образом, они способны «приклеиваться» к различным поверхностям.
«Если вы когда-либо обращали внимание, на снимках марсохода Curiosity можно заметить, что после каждой поездки он становится очень грязным. Пыль покрывает практически всё. Она даже проникает в механизмы и приборы», - Майкл См ит.
Такая способность пыли проникать везде и всюду является основной проблемой для инженеров, проектирующих оборудование для марсианских роверов. Особенно это большая проблема для солнечных батарей. Даже если аппарат попадёт в совсем небольшую пылевую бурю или завихрение, размерами всего в несколько метров, ветер может перенести достаточно пыли, что покрыть фотоэлектрические преобразователи и значительно уменьшить полезную поверхность, способную преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Если обратиться всё к тому же «Марсианину», то Марк Уотни каждый день тратит определённое время, чтобы очистить солнечные батареи для гарантирования их максимальной производительности.
Это изображение самого себя марсоход Opportunity выполнил за три недели до своего десятилетнего юбилея работы на Марсе. Панорамная камера Pancam выполняла съемку ровера в период с 3 по 6 января 2014 года. Обратите внимание на то, насколько запылились солнечные батареи. Источник: NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./Arizona State Univ.
Глобальные ураганы могут создать и вторичную проблему, которую невозможно будет решить простым сдуванием пыли с поверхности. В атмосфере может присутствовать перманентно такое количество пыли, что будет заблокирована какая-то часть солнечного света, а, следовательно, и снизится КПД солнечных батарей. В книге, когда астронавт первый раз сталкивается с большой песчаной бурей, он тут же замечает небольшое снижение эффективности его батарей, вызванное незначительным затемнением атмосферы. Это довольно точное описание того, с чем могут столкнуться исследователи во время реальных марсианских экспедиций.
«В настоящее время мы сильно озабочены энергопотреблением наших марсоходов. Роверы Spirit и Opportunity спустились на поверхность в 2004 году , поэтому они пока что пережили только один глобальный ураган в 2007 году , из-за которого им пришлось прекратить работу и уйти в ждущий режим на несколько недель», - продолжает Майкл См ит.
Пылевая суета
Как уже упоминалось, глобальные песчаные бури поднимают в воздух достаточно пыли, чтобы полностью покрыть планету и закрыть Солнце, но таким образом сам ураган также становится обречённым на исчезновение. Дело в том, что основным механизмом, приводящим в движение все эти ураганы, является высокая температура солнечного света, которая достигает именно поверхности планеты. Поскольку свет падает на грунт, таким образом он подогревает воздух, находящийся близко у его поверхности, оставляя верхние слои более прохладными. Так же как и на Земле во время гроз, тёплый и холодный воздух, смешиваясь, становятся неустойчивым, тёплые слои начинают подниматься, унося с собой из-за неустойчивости и частички пыли. Именно из таких маленьких завихрений и образуются все те странные пылевые «призраки», замеченные на некоторых изображениях Марса. Затем образуются штормы умеренных размеров, затем – размером с континент. Иногда такие большие ураганы могут объединиться в один глобальный вихрь, который как раз и покрывает всю планету пылью.
Исследователи и планетологи довольно точно определили, что большие ураганы обычно происходят в течение лета в южном полушарии Марса. Известно, что на красной планете, так же как и на Земле, происходит смена времён года, которая вызвана наклоном оси вращения планеты. Но в связи с тем, что орбита Марса имеет больший эксцентриситет, чем орбита Земли, красная планета движется по более эллиптической орбите. Минимальное сближение с Солнцем как раз совпадает с летним периодом в южном полушарии, а, следовательно, значения температуры являются самыми большими именно тогда. После того как начинается ураган, он не утихает в течение недель и даже месяцев. Но учёные до сих пор неуверены, чем именно обусловлены такие большие промежутки между ураганами.
Пылевой вихрь, зафиксированный на Марсе камерой HiRISE орбитальной станции Mars Reconnaissance Orbiter. Эта сцена запечатлена в дневное время поздней марсианской весной. Кадр охватывает область размером 644 метра. Судя по тени, которую вихрь отбрасывает на поверхность удалось установить, что он может достигать 800 метров в высоту, а его диаметр составляет порядка 30 метров.
НАСА рассказало правду и вымыслы об опасностях пылевых бурь на Марсе, некоторые из них могут быть заметны с наземных телескопов. Эту информацию использовали в создании нового фильма «Марсианин» режиссера Ридли Скотта. Об этом сообщается на сайте НАСА.
События фильма «Марсианин», который выйдет на экраны в октябре 2015 года, начинаются с того, что герой Энди Уира (астронавт Марк Уитни) сталкивается с сильной пылевой бурей. Она срывает передающую антенну и разрушает часть лагеря. НАСА не отрицает, что пылевые бури являются одной из неприятных особенностей Красной планеты.
«Каждый год на Марсе наблюдаются умеренно-большие пылевые бури, которые охватывают районы размером с земной континент и длятся неделями», - сказал планетолог Майкл Смит из Центра космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте (штат Мэриленд).
Между тем на Красной планете, как отметил ученый, наблюдаются и гораздо более сильные штормы. Глобальные пылевые бури формируются из умеренно-больших и проявляют себя в среднем раз в три марсианских года (этому соответствует примерно 5,5 земных года).
Однако, как отмечает ученый, маловероятно, что эти пылевые бури смогут даже потревожить волосы астронавта на Красной планете (если последний решится снять скафандр). Кроме того, даже глобальные пылевые бури, скорее всего, не в состоянии опрокинуть или разрушить какое-либо оборудование.
Это связано с тем, что скорость самых сильных ветров на Марсе не превышает 27 метров в секунду, что ниже скорости некоторых ураганных ветров на Земле более чем вдвое. Кроме того, плотность марсианской атмосферы в сто раз меньше, чем земной.
«Главное отличие между Землей и Марсом состоит в том, что атмосферное давление на Красной планете намного меньше, - сказал специалист в области физики плазмы Уильям Фаррелл.- Таким образом, все частицы в атмосфере Марса становятся ветром, но не с той же интенсивностью [по сравнению с Землей]».
Однако пылевые бури на Марсе не полностью безвредны. Отдельные небольшие частицы пыли могут нести электростатический заряд и «прилипать» к поверхностям, в частности иллюминаторам и механическим деталям научного оборудования.
Нейтрализация электростатических зарядов и устранение пылевых загрязнений является одной из основных задач, которую решают инженеры, проектирующие оборудование для исследований Марса.
Эта пыль является большой проблемой для солнечных батарей. Даже небольшие пылевые бури способны занести на солнечные панели достаточное количество частиц для того, чтобы значительно уменьшить поступление солнечной энергии.
В фильме «Марсианин» астронавт Уитни ежедневно устраняет пылевые загрязнения с солнечных панелей. Также НАСА отмечает, что глобальные бури на Марсе могут также привести к некоторому затемнению атмосферы Красной планеты.
«Мы действительно беспокоились об энергии марсоходов. Роверы Spirit и Opportunity, которые высадились на Марсе в 2004 году, только раз испытали на себе глобальный шторм (в 2007 году) и на несколько недель прекратили свою работу, перейдя в режим выживания», - сказал Смит.
Чаще всего глобальные пылевые бури на Марсе происходят в летнее время в южном полушарии планеты. Как и на Земле, времена года на Красной планете обусловлены ее наклоном к плоскости орбиты. Однако орбита Марса более вытянута по сравнению с Землей, что означает, что в течение марсианского года одна из сторон планеты нагрета сильнее, чем другая.
Между тем ученым пока не известна истинная причина длительных промежутков между штормами. Наблюдения за ними проводятся с 1909 года, когда на Красной планете впервые наблюдалась глобальная буря. Последний раз это природное явление было замечено в 2007 году. Ученые надеются в ближайшее время наблюдать его снова.
