Давление на марсе. Атмосфера Марса — химический состав, погодные условия и климат в прошлом

Атмосфера Марса , как и атмосфера Венеры, в основном состоит из углекислого газа, хотя и существенно тоньше. После обнаружения метана в 2003 г. исследования атмосферы возобновились с большим азартом. Наличие метана косвенно может указывать на наличие жизни на Марсе, хотя больше вероятности, что это следы вулканической или гидротермальной активности планеты.

Атмосфера на 96% состоит из двуокиси углерода, 2.1% из аргона и 1.9% из азота. Так же были найдены следы кислорода, метана, монооксида и двуокиси углерода,и небольшое количество водяного пара в виде холодных облаков. Концентрация углекислого газа на Марсе в 23 раза превышает земной показатель. Это делает невозможным существование любой жизни на Марсе. По крайне мере той жизни, к которой мы все привыкли на родной Земле.

Состав атмосферы Марса.

Состав атмосферы, а так же ее масса сильно колеблется в течение марсианского года. Зимой большая часть углекислого газа конденсируется в полярных шапках , поэтому атмосфера становится более разряженной. Летом же эта часть испаряется, и плотность атмосферы увеличивается.

Но и зимой и летом плотность атмосферы не настолько большая, чтобы сглаживать температурные колебания. В течение одного марсианского дня скачки температуры превышают 100 o C. Днем она поднимается до +30 o C, а ночью опускается до -80 o C. На полюсах минимальная температура опускается еще ниже, до -150 o C.

Атмосферное давление на Марсе составляет 600 Па. Для сравнения на Земле атмосферное давление составляет 101 Па, а на Венере огромные 9.3 МПа. На вулкане Олимп , самой высокой точкой на Марсе, атмосферное давление составляет жалкие 30 Па. А в самой глубой точке планеты, в равнине Эллада, достигает 1155 Па.

Наблюдения марсохода "Mars Exploration Rover" с поверхности Марса показали, что несмотря на разряженность атмосферы, воздух довольно пыльный. Марсианское небо постоянно окрашено с светло-коричневый и оранжевый цвет. Взвешенные частицы песка и пыли поднимаются на высоту 1.5 км. над поверхностью планеты и из-за низкого давления оседают довольно долго.

История атмосферы

Ученые полагают, что атмосфера Марса менялась в течение жизни планеты. Есть доказательства, что на планете были огромные океаны несколько миллиардов лет назад. Но в настоящее время вода может существовать только в виде пара или льда. Во-первых, атмосферное давление способно "удерживать" воду в жидком состоянии только в самых низких точках планеты. А во-вторых, средняя температура на поверхности составляет -63 o C, поэтому вода может существовать только в твердом состоянии.

Тем не менее, в начале своей истории Марс имел более благоприятные условия. В начале 2013 г. было объявлено, что атмосфера Марса была богата кислородом около 4 миллиардов лет назад (). Среди возможных причин истощения кислорода в атмосфере называют следующие:

Постепенное разрушение атмосферы солнечным ветром.
Столкновение с огромным метеоритом или кометой, имевшее катастрофические последствия для Марса.
Низкая гравитация Марса, не позволяющая удержать атмосферу.

Потенциал для использования людьми

Как же человек может использовать атмосферу Марса? Этот вопрос задается все чаще, поскольку колонизация Марса сейчас уже не выглядит неосуществимой фантастической мечтой. Да, вопросов пока больше, чем ответов. Но и решать вопросы нужно по одному, а не все сразу.

Двуокись углерода из атмосферы Марса можно использовать для создания ракетного топлива для обратного полета на Землю. Есть несколько вариантов использования такого богатого объема CO 2 , один из них - процесс Сабатье. Этот химический процесс представляет собой реакцию двуоксида углерода с водородом при никелевом катализаторе. В результате этой реакции получается кислород и метан.

Реакция Сабатье уже "примеряется" учеными из НАСА для переработки углекислого газа на Международной космической станции, оставшегося после дыхания космонавтов. Поэтому на Марсе нам, возможно, и не понадобиться кислород в атмосфере - мы его произведем сами.

Когда мы говорим об изменениях климата, то грустно качаем головами — ах, как же сильно изменилась наша планета за последнее время, как загрязнена её атмосфера… Однако если мы хотим увидеть подлинный пример того, какими фатальными могут быть изменения климата, то искать его придется не на Земле, а за её пределами. Марс весьма подойдет для этой роли.

То что было здесь миллионы лет назад, не идет ни в какое сравнение с картиной сегодняшнего дня. В наши дни, Марс — это лютый холод на поверхности, низкое давление, очень тонкая и разреженная атмосфера. Перед нами лежит лишь бледная тень былого мира, температура поверхности которого была не намного ниже нынешней температуры на земле, а по равнинам и ущельям неслись полноводные реки. Возможно здесь даже была органическая жизнь, кто знает? Все это осталось в прошлом.

Из чего состоит атмосфера Марса?

Ныне и отвергает даже возможность обитания здесь живых существ. Марсианская погода формируется множеством факторов, среди которых цикличный рост и таяние ледяных шапок, водяные пары в атмосфере и сезонные пылевых бури. Порой, гигантские пылевые бури охватывают сразу всю планету и могут длиться месяцами, окрашивая небо в густой красный цвет.

Атмосфера Марса примерно в 100 раз тоньше, чем у Земли, а на 95 процентов состоит углекислого газа. Точный состав марсианской атмосферы таков:

Углекислый газ: 95,32 %
Азот: 2,7 %
Аргон: 1,6 %
Кислород: 0,13 %
Окись углерода: 0,08 %

Кроме того, в незначительных количествах встречаются: вода, оксиды азота, неон, тяжелый водород, криптон и ксенон.

Как возникла атмосфера Марса? Так же, как и на Земле - в результате дегазации - выхода газов из недр планеты. Однако сила тяжести на Марсе значительно меньше, чем на Земле, поэтому большая часть газов улетучивается в мировое пространство, и лишь незначительная их часть способна удержаться вокруг планеты.

Что случилось с атмосферой Марса в прошлом?

На заре существования Солнечной системы, то есть 4,5-3,5 миллиарда лет назад, Марс обладал достаточно плотной атмосферой, благодаря чему на его поверхности вода могла находится в жидком виде. Орбитальные фотографии показывают контуры обширных речных долин, очертания древнего океана на поверхности красной планеты, а марсоходы уже не однократно находили образцы химических соединений, которые доказывают нам, что глаза не врут — все эти привычные человеческому глазу детали рельефа на Марсе, сформировались в таких же условиях, как и на Земле.

Вода на Марсе была без сомнений, вопросов здесь нет. Вопрос только в том, почему она в итоге исчезла?

Основная теория на этот счет выглядит примерно так: когда-то давно у Марса было , эффективно отражающее солнечную радиацию, однако со временем оно начало слабеть и около 3,5 млрд. лет назад практически сошло на нет (отдельные локальные очаги магнитного поля, причем по мощности вполне сравнимого с земным, есть на Марсе и сейчас). Так как размеры Марса почти вдвое меньше земных, его гравитация значительно слабее, чем у нашей планеты. Сочетание этих двух факторов (потеря магнитного поля и слабая гравитация) привели к тому. что солнечный ветер стал «выбивать» легкие молекулы из атмосферы планеты, постепенно истончая её. Так, в считанные миллионы лет, Марс оказался в роли яблока, с которого ножом аккуратно срезали кожицу.

Ослабевшее магнитное поле уже не могло эффективно «гасить» космическую радиацию, и солнце из источника жизни превратилось для Марса в убийцу. А истонченная атмосфера не могла уже удерживать тепло, поэтому температура на поверхности планеты упала до среднего значения в -60 градусов по Цельсию, лишь летним днем на экваторе, достигая +20 градусов.

Хотя атмосфера Марса сейчас примерно в 100 раз тоньше земной, она все еще достаточно толстая, чтобы на красной планете активно проистекали процессы погодообразования, выпадали осадки, возникали тучи и ветры.

«Пыльный дьявол» — небольшой торнадо на поверхности Марса, сфотографированный с орбиты планеты

Радиация, пыльные бури и другие особенности Марса

Радиация у поверхности планеты представляет опасность, однако по данным НАСА, полученным из сбора анализов марсоходом «Curiosity», следует, что даже за 500-дневный период прибывания на Марсе (+360 дней в пути), астронавты (с учетом защитного снаряжения) получили бы «дозу» радиации равную 1 зиверту (~100 рентген). Эта доза опасна, однако безусловно не убьет взрослого человека «на месте». Считается, что полученный 1 зиверт облучения, на 5% увеличивает риск астронавта на развитие рака. По мнению ученых, ради науки можно пойти и на большие лишения, тем более, первый шаг на Марс, даже если он и сулит проблемы со здоровьем в будущем… Это определенно шаг в бессмертие!

На поверхности Марса, сезонно, бушуют сотни пылевых дьяволов (торнадо) поднимающие в атмосферу пыль из железных окислов (ржавчину, по простому) которая обильно покрывает марсианские пустоши. Марсианская пыль очень мелкая, что в сочетании с малой силой тяжести приводит к тому, что в атмосфере всегда присутствует её значительно количество, достигающее особенно больших концентраций осенью и зимой в северном, и весной и летом — в южном полушариях планеты.

Пылевые бури на Марсе — крупнейшие в солнечной системе, способные покрывать всю поверхность планеты и порой идти месяцами. Основные сезоны пылевых бурь на Марсе — весна и лето.

Механизм таких мощных погодных явлений изучены не до конца, но с большой долей вероятности объясняется следующей теорией: когда большое число частичек пыли поднимается в атмосферу, это приводит к её резкому прогреву на большую высоту. Теплые массы газов устремляются в сторону холодных областей планеты, порождая ветер. Марсианская пыль, как уже отмечалось, очень легкая, поэтому сильный ветер поднимает в верх ещё больше пыли, что в свою очередь ещё сильнее нагревает атмосферу и порождает ещё более сильные ветры, которые в свою очередь поднимают ещё больше пыли… ну и так далее!

Дождей на Марсе нет, да и откуда им взяться на морозе в -60 градусов? А вот снег иногда идет. Правда состоит такой снег не из воды, а из кристалликов углекислого газа, да и по свойствам больше напоминает туман, а не снег (слишком малы «снежинки»), однако будьте уверены — это самый настоящий снег! Просто с местной спецификой.

Вообще, «снег» идет почти по всей территории Марса, причем процесс этот цикличный — ночью углекислый газ замерзает и превращается в кристаллы, выпадая на поверхность, а днем оттаивает и снова возвращается в атмосферу. Однако на северном и южном полюсах планеты, в зимний период, царит мороз до -125 градусов, поэтому единожды выпав в виде кристаллов, газ уже не испаряется, и лежит пластом до весны. Учитывая размер снежных шапок Марса, надо ли говорить, что зимой концентрация углекислого газа в атмосфере падает на десятки процентов? Атмосфера становится ещё более разреженной, и как следствие задерживает ещё меньше тепла… Марс погружается в зиму.

математическое моделирование и сравнили полученные результаты с составом древней марсианской атмосферы, запертой в старом метеорите. Они пришли к выводу, что 4 миллиарда лет назад имел плотную атмосферу, поверхностное давление которой превышало 0,5 бар (50000 Па).

Это говорит о том, что процесс исчезновения атмосферы Марса был вызван, вероятнее всего, солнечным ветром. Именно он несет ответственность за превращение Марса в мир холодных пустынь, которым мы знаем его сегодня.

При изучении данных, полученных в результате работы исследовательских экспедиций к Красной планете ученые предположили, что Марс когда-то обладал теплым климатом, который поддерживал существование океанов на его поверхности. Для этого требуется плотная атмосфера с достаточно выраженным парниковым эффектом. Однако, современный Марс имеет тонкую атмосферу, поверхностное давление которой составляет всего 0,006 бар. Это обуславливает существование в настоящее время на планете очень холодного климата по сравнению с . Оставалось большой загадкой — когда и как Марс потерял свою плотную атмосферу.

Метод исследования

Находящийся в распоряжении ученых старый метеорит содержит частицы древней марсианской атмосферы. Исследователи смоделировали процессы изменения марсианской атмосферы на протяжении его истории в различных условиях. Сравнивая результаты с изотопным составом полученного из метеорита газа, исследователи вычислили, насколько атмосфера Марса была плотна в то время, когда газ попал в ловушку в метеорите.

Обзор результатов исследований

Исследовательская группа пришла к выводу, что Марс около 4 миллиардов лет назад имел плотную атмосферу. Давление воздуха у поверхности планеты в то время составляло не менее 0,5 бар и, возможно, даже выше. Марс имел свое магнитное поле, но около 4 миллиардов лет назад потерял его. Результат исследования показывает, что за превращение Марса из теплого мокрого мира в холодный мир пустыни отвечает , которая начала разрушать атмосферу планеты.

Перспективы исследований

Космический аппарат NASA MAVEN находится на орбите вокруг Марса, и продолжает исследовать процессы, которые уничтожили атмосферу Красной планеты. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) планирует продолжить наблюдение за этими процессами с помощью космического аппарата Martian Moons eXploration (MMX). Эти миссии смогут объяснить, как же все таки плотная атмосфера древнего Марса, предсказанная в этом , была утрачена с течением времени.

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.

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.