КАРТА САЙТА

Факторы рельефообразования на Марсе

А.В. Галанин © 2013

© Галанин А.В. Факторы рельефообразования на Марсе // Вселенная живая [Электронный ресурс] – Владивосток, 2013. Адрес доступа: http://ukhtoma.ru/mars13.htm Марсианские пыльные бури || Марсианские дюны и шарики || Марсианская нефть || Кратеры и марсианские ледники-наледи в них || Полярные ледники || Большой каньон на Марсе || Камни на Марсе

1. Марсианские пыльные бури

В этой статье я использовал фотографии Марса, опубликованные на портале NASA. В сети интернет можно найти очень много изображений поверхности нашего космического соседа, но по-прежнему очень мало публикаций, внятно объясняющих происхождение форм марсианского рельефа. Эти формы, внешне похожие на земные, образовались в условиях существенно отличающихся от земных. Но самое главное отличие – в том, что на Марсе в образовании форм рельефа практически не принимала участия жидкая текущая вода, т.е. водная эрозия проявляла себя в исключительных случаях и в ничтожных масштабах.

Атмосфера Марса на 95,9% состоит из углекислого газа, около 1,9% приходится на долю азота, 2% на долю аргона и 0,14% на долю кислорода. Среднее давление атмосферы на поверхности Марса в 160 раз меньше, чем у поверхности Земли. Масса марсианской атмосферы в течение года сильно меняется из-за конденсации углекислого газа в зимнее время в полярных районах и испарения углекислого снега с полярных шапок весной и в начале лета. Несмотря на низкое содержание кислорода, в атмосфере Марса тем не менее имеется озоновый слой, который образуется за счет фотодиссоциации паров воды под действием жесткого излучения.

Водяного пара в марсианской атмосфере мало, но при низком давлении и температуре он находится в состоянии, близком к насыщению, и часто собирается в легкие облака. Наблюдения с космических кораблей показали, что на Марсе встречаются облака самых разнообразных форм и видов: перистые, волнистые, подветренные (вблизи крупных гор и под склонами больших кратеров, в местах, защищённых от ветра). Над низинами, каньонами и на дне кратеров в холодное время суток часто стоят туманы. Нодо полагать, эти туманы состоят из мелких кристалликов льда. На Земле такие морозные туманы можно наблюдать в Якутии. Зимой 1979 г. на Марсе в районе посадки «Викинга-2» выпал тонкий слой снега, который пролежал несколько месяцев.

Средняя температура на Марсе около –40°С. При наиболее благоприятных условиях летом на дневной половине воздух прогревается до +27°С, но зимней ночью мороз может достигать –125°С. Вот при такой низкой температуре углекислый газ замерзает, превращаясь в сухой лед. Такие резкие перепады температуры вызваны тем, что разреженная атмосфера Марса не способна долго удерживать тепло. Днём на экваторе температура может доходить до +27°С, но уже к утру она падает до –50°С. На Марсе существуют и температурные оазисы: так, на плато Солнца и на земле Ноя суточный перепад температур составляет около 50°С. Таким образом, климат на Марсе суровее, чем в Антарктиде.

Космический аппарат "Викинг" измерил температуру около поверхности. Летом в месте посадки температура атмосферы близ поверхности в утренние часы составляла –160° С, но к середине дня поднялась до –30°С. Давление атмосферы у поверхности планеты составляет 6 миллибар (т. е. 0,006 атмосферы).

Год на Марсе длится 687 земных или 668 марсианских суток – почти вдвое длиннее земного, а значит, дольше длятся и сезоны. Из-за большего, чем у Земли, эксцентриситета орбиты (0,09) длительность и характер сезонов Марса различны в северном и южном полушариях планеты.

Фото Марса, полученное NASA совместно с National Geographic с сайта: http://nnm.ru/blogs/olleg7777/…

На Марсе есть легкие белые облака, высокие вулканические конусы – горы (вулкан Олимп высотой около 25 км). Недалеко от экватора в широтном направлении простирается Большой Каньон (Долина Маринеров) глубиной до 3 км. Кроме Олимпа на Марсе много других круглых кратеров и обширных плоских плато. В полярных районах вокруг полюсов имеются полярные ледники высотой более 3 км, состояшие из водяного и углекислого льда. На Марсе регулярно случаются региональные и глобальные пыльные бури.

Марс имеет экваториальный диаметр 6787 км, т. е. 0,53 земного. Полярный диаметр несколько меньше экваториального (6753 км). Получается, что Земля с полюсов более сплющена, чем Марс. На Марсе есть и климатические пояса, подобные земным: тропический, два умеренных и два полярных. Ось вращения Марса наклонена к его орбитальной плоскости приблизительно на 23,9°, что сравнимо с наклоном земной оси (23,4°), марсианские сутки практически совпадают с земными.

Вода на Марсе есть, и ее там немало. Но на поверхности планеты и в марсианской коре она находится в замерзшем состоянии – в виде ледников, вечной мерзлоты, снега и изморози. Зона криолитозоны – это зона вечной мерзлоты, где лед занимает промежутки между частицами грунта. Только на большой глубине под криолитозоной и мощными ледниками на Марсе, вероятно, есть и жидкая вода. Факторы, обеспечивающие жидкое состояние воды на большой глубине: 1) достаточно высокая температура ( выше 0°С) за счет потока эндогенного тепла планеты; 2) невозможность нахождения длительное время воды в жидком состоянии на поверхности Марса из-за резкого перехода ее в парообразное состояние (вода на поверхности Марса на плато кипит при +2°С, а в каньонах при +4°С). Причина такого кипения и испарения – низкое атмосферное давление. Однако водяной пар в разреженной холодной атмосфере Марса, если он в нее попадет, будет моментально охлаждаться и превращаться в снежную пыль.

В атмосфере Марса наблюдаются легкие белесые облака. Это говорит о том, что водяной пар в атмосферу все-таки попадает. Из снеговых облаков на поверхность выпадает снежная пыль или очень мелкие снежинки. Какова же судьба этих снежинок? Они перемешиваются ветрами с пылью, песком и щебнем и формируют грунт Марса – его поверхностный рыхлый слой. Периодически этот грунт может нагреваться до температуры, когда снежинки тают, на короткое время превращаются в жидкую воду, но затем быстро замерзают, или испаряются.

Схема движения вокруг Солнца Марса и Земли. Великие противостояния Земли и Марса случаются периодически, когда обе планеты оказываются по одну сторону от Солнца, причем Земля в это время находится в своей дальней точке от Солнца – в афелии, а Марс в своей ближней точке к Солнцу – в перигелии. Орбита Марса вытянута больше, чем орбита Земли. Поэтому асимметрия климата между южным и северным полушариями на Марсе больше, чем на Земле.

Часть жидкой воды из грунта тут же испаряется, но другая часть взаимодействует с грунтом и остается в нем, а та жидкая вода, которая просочилась вглубь и замерзает, становится частью криолитозоны Марса. Если днем самый верхний слой марсианского грунта может нагреваться до +10..15°С, то ночью даже на экваторе он остывает до –10–15°С. А на небольшой глубине он остается постоянно промороженным даже в самый теплый марсианский день. Над поверхностью планеты часто дуют ветры, скорость которых во время пыльных бурь доходит до 100 м/с. Малая сила тяжести позволяет потокам марсианского воздуха поднимать огромные облака пыли. Во время таких штормов обширные области на Марсе бывают охвачены грандиозными пылевыми бурями. Чаще всего они возникают вблизи полярных шапок. Глобальная пылевая буря на Марсе помешала фотографированию поверхности планеты с борта зонда «Маринер-9». Она бушевала с сентября 1971 по январь 1972 года, подняв в атмосферу на высоту более 10 км около миллиарда тонн пыли. Мощные пылевые бури чаще всего бывают в периоды великих противостояний Марса и Земли, когда лето в южном полушарии совпадает с прохождением Марса через перигелий.

На диаграмме справа показаны области существования льда, пара и воды на Марсе в зависимости от температуры и давления. Слева показана шкала глубины под поверхностью в грунте, которая соответствует такому давлению. Небольшой треугольник тёмно-синего цвета указывает на зону возможного существования воды в жидком виде на поверхности планеты. Таким образом, своеобразный «запрет по давлению», то есть широко распространённое мнение, что вода вообще не может присутствовать в жидком виде на поверхности Марса, неверен. Запрет не носит абсолютного характера, поэтому некоторые геологические образования на поверхности планеты могут иметь природу, связанную с жидкой водой. На этой диаграмме видно, как мал диапазон температуры и давления на поверхности Марса, при которых вода может находиться в жидком состоянии. Этот диапазон несколько увеличивается, если вода не пресная, а соленая, или когда в ней присутствуют вещества антифризы. Давление марсианской атмосферы как и на Земле изменяется с высотой над поверхностью планеты, так оно составляет всего 0,6 мбар на вершинах гигантских древних вулканов области Фарсида высотой до 25 км; 9 мбар в глубоких, до 4 км, частях Большого Каньона (Долины Маринера) и 10 мбар на дне самой глубокой впадины Эллада. Там открытая водная поверхность вполне могла бы сохраняться довольно долго. Таким образом вода вполне может какое-то время присутствовать в жидком виде в некоторых районах на поверхности Марса.

Термодинамические условия существования льда, пара и воды на Марсе. Маленький кружок в верхней части диаграммы соответствует давлению 6,1 мбар и температуре 0°С. Диаграмма взята с сайта: http://www.nkj.ru/archive/articles/16384/

Температура кипения воды на Земле на разной высоте разная. Так на глубине 300 м (в шахте) вода закипит при 101°С; а при давлении в 14 атмосфер – при 200°С; на Марсе в каньонах она кипит при 4,5°С. Рисунок с сайта: http://class-fizika.narod.ru/8_15.htm

Ярче всего сезонные изменения проявляются в полярных областях. В зимнее время полярные шапки увеличиваются. Южная граница северной полярной шапки зимой может находиться от полюса на трети расстояния от полюса до экватора, а граница южной полярной шапки зимой даже преодолевает половину этого расстояния. Такая разница вызвана тем, что в северном полушарии зима наступает, когда Марс проходит через перигелий своей орбиты, а в южном – зима наступает, когда планета проходит через афелий. Из-за этого зима в южном полушарии Марса холоднее, чем в северном. Поэтому в марсианском северном полушарии зима короче и относительно «умереннее», а лето длиннее, но прохладнее, чем в южном. В южном же наоборот – лето короткое и относительно теплое, а зима длинная и очень холодная. С наступлением весны полярная шапка начинает «съёживаться», оставляя за собой постепенно исчезающие островки льда. В то же время от полюсов к экватору распространяется так называемая волна весеннего потемнения. Летом ни одна из полярных шапок Марса не исчезает полностью. До начала исследований Марса при помощи межпланетных зондов предполагалось, что его полярные области покрыты застывшей водой. Более точные современные наземные и космические измерения обнаружили в составе марсианского льда много замерзший углекислоты. Летом он испаряется и поступает в атмосферу. Ветры переносят его к противоположной полярной шапке, где он снова замерзает. Этим круговоротом углекислого газа и разными размерами полярных шапок объясняется непостоянство давления марсианской атмосферы.

Марсоход Curiosity в ноябре 2012 г. зарегистрировал изменения атмосферы, связанные с бурей. Датчики показали, что давление упало, а минимум ночной температуры слегка повысился. Региональная пыльная буря, по мнению Рича Цурека из Лаборатории реактивного движения НАСА, окутала дымкой довольно обширную область и возникла в той части планеты, где в прошлом случались подобные бури, которые закрывали завесой всю планету. Исследователям непонятно, почему одни марсианские бури достигают определенных размеров и перестают расти, а другие продолжают расти и охватывают весь марсианский мир. Если с источником возникновения марсианских пыльных бурь всё более менее понятно, то на вопрос "почему эти глобальные бури заканчиваются", ученые до сих пор не могут ответить. Один из исследователей Марса, работающий в Университете штата Аризона – Фил Кристенсен, – так и говорит: "Большие бури могут продолжаться неделями или месяцами. Фактически мы не знаем, что их останавливает".

Глобальные пыльные бури на Марсе регистрировались в 2001 и в 2007 гг. Десятилетние наблюдения планеты показали существенные сезонные колебания масштабов пыльных бурь. Нынешний сезон пыльной бури начался с началом весны в южном полушарии. С 16 ноября инструменты Mars Climate Sounder регистрировали потепление атмосферы на высоте 25 км над бурей. Повышение температуры наблюдается не только в запыленном районе на юге, но и в северных полярных широтах. Такие же изменения повлияли на давление, измеренное Curiosity, хотя буря еще далека от него.

Пыльная буря двигалась в южном направлени, а начало брала с северной равнины Утопия, пересекая при этом Большой Сырт и Изиду. Через семь дней после начала она охватывала значительные площади – от южного тропика до края южной полярной местности, при этом затрагивая всю равнину Элладу (от Ноя до Прометея). Общая площадь территории, охваченной пыльной бурей, составила почти 10,5 млн.км². Установлено, что в составе пыльных бурь кроме красно-коричневой пыли есть метан и аммиак.

Глобальные марсианские пыльные бури могут охватывать почти всю поверхность планеты. В июне-июле 2001 г., с приходом весны в южное полушарие Марса, на планете разыгралась как раз такая глобальная пылевая буря. Буря началась близ южного полюса 27 июня, а 30 июня ею была охвачена большая часть южного полушария. С 1 по 8 июля буря проникла в северное полушарие, а 21 июля пыльной бурей была охвачена уже вся планета. В северном полушарии 30 июня образовался самостоятельный очаг пыльной бури вблизи гигантского вулкана Ascraeus Mons. Здесь видна пыльная буря меньшего размера, но затем она сливается с глобальной 7–8 июля.

Развитие пыльной бури на Марсе. Схема с сайта: http://nature.web.ru/db/simg.html?mid=1166966&n=0

Здесь синий цвет показывает относительно чистую атмосферу, а красный – сильно запыленную. В середине июня ученые заметили начало бури в южном полушарии и наблюдали за тем, как постепенно она охватила большую часть планеты. К сожалению, во время бури поверхность Марса недоступна для земных наблюдателей. Эта буря случилась в период максимального сближения Марса с Землей, когда Марс находился в перигелии.

Когда на Марсе бушует пыльная буря, то над пыльными облаками возвышается лишь верхушка гигантского вулкана Олимп высотой 25 км. В 2001 году на Марсе произошла настолько мощная пыльная буря, что её можно было наблюдать с Земли через любительский телескоп. При этом обычно холодная атмосфера Марса во время бури нагрелась до невероятной отметки в +30°С. Буря началась с маленького облака пыли на южном полушарии Марса, которое внезапно выросло до огромных размеров и смогло обогнуть поверхность планеты.

Я считаю, что бури на Марсе бывают настолько сильные, что поднимают в воздух и переносят на большие расстояния не только пыль, но и песок. Поэтому дальше я буду их называть пыле-песчаными бурями.

На Марсе началась глобальная пыле-песчаная буря. Ветер поднимает тучи пыли и песка и гонит их туда, где углекислая атмосфера выпадает в осадок – замерзает. Фото с сайта: http://www.dezinfo.net/foto/4501-pora-prismatrivat-uchastochek-dlya-dachi-17-foto.html

Похоже, что во время мощных пыле-песчаных бурь огромные массы песка, пыли и мелких снежинок переносятся на большие расстояния, осаждаются в западинах и ямах и образуют новые слои марсианского грунта. С других участков песок, пыль и снег при этом сдуваются, и оголяется твердая горная порода. Кора Марса слоистая и внешне похожа на земные песчаники. Эти слоистые песчаники образовались в результате отложения мелких частиц, переносимых во время бурь. А бури на Марсе происходят регулярно: зимой ветер дует от экватора к полюсу, а весной – от полюса к экватору.

Причина бурь заключается в том, что зимой над полюсом температура атмосферы опускается настолько, что углекислый газ превращается в углекислый снег и выпадает на поверхность. А на долю углекислого газа в атмосфере Марса приходится более 95%. Таким образом, можно сказать, что зимой на полюсах атмосфера выпадает в осадок, при этом атмосферное давление резко падает и на место выпавшего в осадок углекислого газа от экватора к полюсу устремляются массы марсианского воздуха. Они подхватывают все, что "плохо лежит" на поверхности планеты и несут все это к полюсу. Так формируется полярная шапка Марса, и так формируется и преобразуется кора этой планеты.

Слоистая кора Марса сформировалась благодаря пыле-песчаным бурям, а не в результате отложения песчаных осадков на дне древних марсианских морей и озер. Процесс эолового накопления осадков продолжается на Марсе миллионы лет.

Нодо сказать, что на южном полюсе перепады температуры от зимы к лету бывают более резкие и с большей амплитудой. Точно так же и переход от лета к зиме и от зимы к лету бывает здесь более резкий, чем в районе северного полюса. Весной в южном полушарии начинается бурная возгонка углекислого снега и углекислого льда над южной полярной шапкой. При этом давление атмосферы здесь быстро растет, усиливается парниковый эффект, отчего воздух разогревается и начинает двигаться в область меньшего давления – к экватору. Уплотнение атмосферы вызывает увеличение парникового эффекта, отчего начинается более резкое таяние углекислого снега, а позднее начинает таять и водяной лед.

Поверхность Марса, на которой видны кратеры и гряды из рыхлого материала – надувы. Фото с сайта: http://igorserko.livejournal.com/516017.html

Наконец, волна высокого давления и теплого воздуха вместе с пылью и песком достигает экватора. Но в это время в осадок начинает выпадать углекислая атмосфера над северной полярной шапкой – углекислый газ превращается в снег и лед. Появляется "двойная тяга" атмосферного воздуха – область высокого давления в южном полушарии и область низкого давления над северной полярной шапкой. В это время пыле-песчаная буря захватывает всю планету. На фотоснимке слева отчетливо видно, что сильные ветры на Марсе, несущие пыль и песок, дуют в одном направлении. Когда на их пути встречается препятствие в виде скалы, то за этой скалой образуется длинный надув. Обратите внимание на то, что тень в большом кратере располагается, как ей и положено – на южной стенке кратера, в то время как северная стенка освещена солнцем. А все надувы от скальных препятствий направлены на север, и они параллельны друг другу. Следовательно, они образуются в то время, когда ветер осенью дует от экватора по направлению к зимнему полюсу – с юга на север. В большом кратере под южной стенкой надувов практически нет, значит песок и пыль здесь не задерживаются и уносятся дальше. А вот в малом кратере надувы образуются и под южной стенкой кратера, и за его северной стенкой. Овальная форма большого кратера говорит о том, что он не метеоритного происхождения. Скорее всего, это какой-то провал в криолитосфере Марса.

Циклонические явления в атмосфере Марса. Фото с сайта: http://www.astronet.ru/db/msg/1162906

Ггруппа астрономов, которые постоянно следят за Марсом, заметили гигантский циклон, бушующий около северного полюса. В левой части картинки помещен снимок, полученный Космическим телескопом им. Хаббла. Справа помещены подробное изображение штормовой системы и ее окружение. На левом снимке сверху видна северная полярная шапка (ледник) Марса, размеры которой соответствуют марсианскому лету.

Подобные спиральные шторма на Марсе наблюдали более 20 лет назад камеры космического аппарата Викинг. Те шторма представляли собой систему закрученных светлых водяных, состоящих из мелкие кристалликов водяного льда, облаков.

Но более часто случаются вздымающиеся пылевые шторма, вызванные ветрами. Вполне возможно, что спиралевидная структура полярного марсианского ледника связана именно со спиральными вихрями пыле-песчаных бурь.

Циклон на левом снимке имеет поперечник около 2000 км, а центральная дырка в нем – диаметр около 300 км. Этот циклон сравним с земными циклонами, бушующими в полярных областях нашей планеты. Эта штормовая система наблюдалась на Марсе в течение нескольких часов, но больше ее никто не видел, т.е. характерное время жизни таких облачных систем на Марсе невелико.

Песчано-пылевые бури на Марсе заканчиваются тогда, когда более менее выравнивается давление атмосферы между полярными и экваториальными районами. А это случается тогда, когда наступает вторая половина лета в одном полушарии и вторая половина зимы в другом. Я думаю, что главным "заводилой" пыле-песчаных бурь на Марсе является все же южная полярная шапка, а именно – бурная возгонка твердой углекислоты с этой шапки. Локальные пыльные бури могут возникать в районах высоких вулканических конусов. Тогда над их вершинами начинаются углекислые снегопады, и воздух устремляется вверх по склону вулкана к его вершине, стремясь занять место воздуха выпавшего в осадок. Думаю, что на Марсе могут быть два типа облаков – углекислые, которые возникают над полярными шапками и высокими горами и состоят из кристалликов углекислого снега, и водяные, которые возникают над глубокими каньонами, разломами и провальными кратерами. Но за облака могут быть приняты и локальные пыле-песчаные бури. Весной полярная шапка нагревается до температуры, при которой твердая углекислота возгоняется и превращается в углекислый газ. При этом над полюсом растет атмосферное давление, отчего усиливается парниковый эффект, воздух нагревается еще больше и до такой степени, что начинает таять и водяной лед. Вероятно, при этом образуются небольшие лужицы и ручейки, которые, однако, быстро испаряются из-за низкого атмосферного давления. В это время ветер дует в сторону экватора, причем по марсианским меркам он теплый. Весной теплый и более влажный углекислый воздух на Марсе движется от зимнего полюса к экватору, но движется гораздо медленнее, чем осенью, поэтому слишком мощных песчано-пылевых бурь весной в северном полушарии не возникает. Использованы источники информации Гексагональный лед. Адрес доступа: http://apocalypse.aires.spb.ru/eto-vazhno/1870-geksagonalnyj-led.html Глобальная пыльная буря на Марсе. Адрес доступа: http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1171402 Curiosity зарегистрировал резкие изменения в атмосфере Красной планеты. Адрес доступа: http://kp.ua/daily/221112/367477/ Ксантомалити Леонид. Горные потоки и бассейны на Марсе // Наука и жизнь. №9, 2009. Адрес доступа: http://www.nkj.ru/archive/articles/16384/ Марс – планета невероятных пыльных бурь. Адрес доступа: http://lllolll.ru/mars-dust На Марсе зафиксирована гигантская пылевая буря. Адрес доступа: http://www.profi-forex.org/nauka/entry1008144554.html Необычные шары на Марсе. Адрес доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1270347

Легкие снеговые облака над марсианским кратером.

Пыльная буря. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Пыльная буря на Марсе. Адрес доступа: http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1166966

Таинственные шары – признаки жизни на Марсе? Адрес доступа: http://2012over.ru/tainstvennie-shari-mdash-priznaki-zhizni-na-marse.html

Тайна марсианских шариков раскрыта. Адрес доступа: http://www.pravda.ru/science/planet/space/19-09-2012/1128448-opportunity-0/

Другие наши странички для интересующихся Марсом:

• Cравнение Марса и Земли
• Есть ли жизнь на Марсе? (в 3 частях)
• Есть ли нефть на Марсе?
• Марсианские заметки
• Роль воды на Марсе
• Шарики на Марсе
• Факторы рельефообразования на Марсе (в 7 частях)