На марсе бури: Астрономы назвали причину загадочных пыльных бурь на Марсе |

Содержание

Пылевая буря на Марсе сформировала «земные тропические облака»

Космос
16 ноября 2022

Александр
Шереметьев

новостной редактор

Александр
Шереметьев

новостной редактор

Орбитальный спутник Mars Express показал, как выглядят облака над пылевой бурей на Марсе. Они напоминают «узоры» над тропиками на Земле.

Читайте «Хайтек» в

Камеры на борту Mars Express запечатлели пыльные бури с орбиты. Исследование показывает, что несмотря на существенные отличия между Землей и Красной планетой, их облачные структуры удивительно похожи. Это свидетельствует о схожих процессах, которые управляют их формированием.

В работе, опубликованной в журнале Icarus, исследователи из Европейского космического агентства проанализировали данные наблюдений за двумя пыльными бурями, которые произошли у северного полюса планеты весной 2019 года.

Пыльная буря на Марсе. Анимация: ESA/GCP/UPV/EHU Bilbao

Изображения показывают, что марсианские пылевые бури состоят из регулярных мелких облачных ячеек, расположенных подобно зернам или гальке. Аналогичная текстура видна в облаках в атмосфере Земли, формирующихся в тропической зоне.

Такие текстуры образуются в результате конвекции, когда горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотный, чем окружающий его более холодный воздух. Наблюдаемый тип конвекции называется конвекцией с закрытыми ячейками, когда воздух поднимается в центре небольших облачных карманов, или ячеек. Промежутки в небе вокруг облачных ячеек — это пути, по которым более холодный воздух опускается вниз.

«Зернистые» облака на Марсе и на Земле. Изображение Марса: ESA/GCP/UPV/EHU Bilbao. Изображение Земли: EUMETSET

На Земле поднимающийся воздух содержит воду, которая конденсируется, образуя облака. Облака пыли, полученные с помощью Mars Express, показывают тот же процесс, но на Марсе восходящие столбы воздуха содержат пыль, а не воду. Солнце нагревает запыленный воздух, заставляя его подниматься и формировать пылевые ячейки. Камеры окружены областями опускающегося воздуха, в которых меньше пыли. Это приводит к зернистому узору.

Благодаря изображениям спутника Mars Express ученым удалось измерить высоту облаков пыли, анализируя длину отбрасываемых ими теней и положения Солнца. Результаты показали, что пыль может достигать примерно 6–11 км над поверхностью планеты, а ячейки имеют типичные горизонтальные размеры 20–40 км.

Читать далее:

Главную теорию происхождения человека опровергли: откуда мы появились

Опубликованы результаты первого тестирования препарата против рака

На Земле теперь живет 8 млрд человек: грозит ли планете перенаселение

_{На обложке: спиральные облака у полюса Марса. Изображение: ESA/DLR/FU Berlin}

Читать ещё

теперь космический аппарат NASA сможет выжить

На Марсе меняется время года, а потому угрозы для миссий на планете практически исчезли.

марсианских пыльных бурь взбалтывают похожие на Землю облака

Наука и исследования

15.11.2022
11446 просмотра
118 лайков

Космический аппарат ЕКА Mars Express обнаружил, что Марс образует удивительно похожие на Землю узоры облаков, которые напоминают облака в тропических регионах нашей планеты.

Земля и Марс имеют совершенно разные атмосферы. Сухая и холодная атмосфера Марса почти полностью состоит из углекислого газа, тогда как земная богата азотом и кислородом. Плотность его атмосферы составляет менее одной пятидесятой земной атмосферы, что эквивалентно плотности на высоте около 35 км над поверхностью Земли.

Несмотря на то, что они очень разные, их структура облаков оказалась удивительно похожей на Землю, что указывает на сходные процессы формирования.

Спиральный шторм возле марсианского Северного полюса

Новое исследование углубляется в две пыльные бури, которые произошли вблизи марсианского Северного полюса в 2019 году. За бурями наблюдали весной на Северном полюсе, когда местные бури обычно возникают вокруг отступающей ледяной шапки.

Две камеры на борту Mars Express — камера визуального мониторинга (VMC) и стереокамера высокого разрешения (HRSC) — вместе с камерой MARCI на борту марсианского разведывательного орбитального аппарата НАСА запечатлели бури с орбиты.

Последовательность изображений VMC показывает, что грозы нарастают и исчезают повторяющимися циклами в течение нескольких дней, демонстрируя общие черты и формы. Спиралевидные формы заметно видны на более широких изображениях HRSC. Спирали имеют длину от 1000 до 2000 км, а их происхождение такое же, как и у внетропических циклонов, наблюдаемых в средних и полярных широтах Земли.

Образы облаков на Марсе и Земле

Изображения показывают особое явление на Марсе. Они показывают, что марсианские пылевые бури состоят из регулярно расположенных более мелких облачных ячеек, расположенных подобно зернам или гальке. Текстура также видна в облаках в атмосфере Земли.

Знакомые текстуры образуются в результате конвекции, при которой горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотный, чем окружающий его более холодный воздух. Наблюдаемый здесь тип конвекции называется конвекцией с закрытыми ячейками, когда воздух поднимается в центре небольших облачных карманов, или ячеек. Промежутки в небе вокруг облачных ячеек — это пути, по которым более холодный воздух опускается ниже горячего восходящего воздуха.

На Земле восходящий воздух содержит воду, которая конденсируется, образуя облака. Облака пыли, полученные с помощью Mars Express, показывают тот же процесс, но на Марсе восходящие столбы воздуха содержат пыль, а не воду. Солнце нагревает запыленный воздух, заставляя его подниматься и формировать пылевые ячейки. Камеры окружены областями опускающегося воздуха, в которых меньше пыли. Это приводит к зернистому узору, который также можно увидеть на изображении облаков на Земле.

Отслеживая движение ячеек в последовательности изображений, можно измерить скорость ветра. Ветер дует над облачными элементами со скоростью до 140 км/ч, в результате чего форма ячеек вытягивается в направлении ветра. Несмотря на хаотичную и динамичную атмосферу Марса и Земли, природа создает эти упорядоченные узоры.

«Думая о марсианской атмосфере на Земле, можно легко представить сухую пустыню или полярный регион. Совершенно неожиданно, что, отслеживая хаотическое движение пыльных бурь, можно провести параллели с процессами, происходящими во влажных, горячих и совершенно не похожих на Марс тропических регионах Земли», — комментирует Колин Уилсон, марсианский исследователь ЕКА. Ученый экспресс-проекта.

Один из ключевых моментов, который стал возможен благодаря изображениям VMC, — это измерение высоты облаков пыли. Длина отбрасываемых ими теней измеряется и в сочетании со знанием положения Солнца измеряется высота облаков над марсианской поверхностью. Результаты показали, что пыль может достигать примерно 6–11 км над землей, а ячейки имеют типичные горизонтальные размеры 20–40 км.

«Несмотря на непредсказуемое поведение пыльных бурь на Марсе и сопровождающие их сильные порывы ветра, мы увидели, что в рамках их сложности могут возникать организованные структуры, такие как фронты и модели ячеистой конвекции», — объясняет Агустин Санчес-Левага из Университета. del País Vasco UPV/EHU (Испания), который возглавляет научную группу VMC и является ведущим автором статьи, представляющей новый анализ.

Такая организованная ячеистая конвекция характерна не только для Земли и Марса; наблюдения атмосферы Венеры с помощью Venus Express, возможно, показывают аналогичные закономерности. «Наша работа над сухой конвекцией на Марсе — еще один пример ценности сравнительных исследований подобных явлений, происходящих в атмосферах планет, для лучшего понимания лежащих в их основе механизмов в различных условиях и средах», — добавляет Агустин.

Помимо получения дополнительной информации о том, как «работают» планетарные атмосферы, понимание пыльных бурь важно для будущих миссий на Марс. В крайних случаях пыльные бури могут блокировать большую часть солнечного света, не позволяя ему достигать солнечных батарей марсоходов на поверхности Красной планеты. В 2018 году пыльная буря планетарного масштаба не только заблокировала попадание солнечного света на поверхность, но и засыпала пылью солнечные панели марсохода НАСА «Оппортьюнити». Оба этих фактора привели к тому, что марсоход потерял электроэнергию, что привело к прекращению миссии.

Мониторинг эволюции пыльных бурь имеет решающее значение для защиты будущих миссий на солнечной энергии — и, в конечном итоге, пилотируемых миссий на планету — от таких мощных явлений.

‘ Ячеистые структуры и сухая конвекция в текстурированных пыльных бурях на краю северной полярной шапки Марса ’ А. Санчес-Лавега и др. опубликовано в номере журнала Icarus от 15 ноября 2022 года.

Захватывающие изображения VMC размещены на обложке журнала.

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!

Атака марсианских пыльных бурь

Чуть более 50 лет назад к Марсу прибыл космический корабль НАСА Mariner 9, став первым космическим кораблем, вышедшим на орбиту другого мира. Предыдущие полеты позволили мельком увидеть Красную планету. Однако эта последняя попытка сфотографирует всю поверхность чужого мира.

Но Марс еще какое-то время будет хранить свои тайны. На первых снимках Mariner 9 была показана планета, полностью скрытая мягким туманом пыли, за исключением пиков горстки больших вулканов. Космический корабль прибыл во время самой сильной пыльной бури, наблюдаемой на Марсе за 70 лет телескопических наблюдений.

К счастью, через несколько месяцев пыль рассеялась, и «Маринер-9» начал картографировать поверхность, обнаруживая следы воды в прошлом и систему гигантских каньонов Долины Маринер. Но событие с пылью предвещает одну из самых больших проблем исследования Красной планеты в последующие десятилетия: марсианская пыль повсюду — она периодически поглощает всю планету, и данные свидетельствуют о том, что часть ее даже устремляется в межпланетное пространство. И пыль прилипает ко всему, создавая угрозу для нынешних роботов-исследователей и — в будущем — для людей во время их длительного пребывания на Марсе.

Тем не менее, мы до сих пор не знаем, откуда берется марсианская пыль и как она распространяется. Одним словом, пыльные бури сбивают с толку. «Глобальные пыльные бури происходят в среднем только три раза за десятилетие Марса», — говорит Клэр Ньюман, планетолог из Aeolis Research в Аризоне. Ее очарование вызвано «этими крошечными простыми частицами, попадающими в атмосферу и оказывающими такое глубокое воздействие на всю планету».

Таинственные бури

Выяснение того, почему в некоторые марсианские годы бывают штормы, а в большинство нет, является вечной загадкой. «Мы наблюдали только три глобальных шторма с начала периода непрерывного наблюдения, и все они были разными», — говорит Ньюман. «Понимание этих штормов из такого ограниченного набора данных похоже на попытку выучить правила сложной карточной игры, посмотрев всего несколько раундов без каких-либо объяснений».

Погода на Марсе, за исключением пыльных бурь, на самом деле довольно предсказуема. Это потому, что ветры вызываются солнечным нагревом, а солнечное освещение на Красной планете меняется очень медленно изо дня в день и почти одинаково из года в год. Таким образом, ветры в любой день часто почти такие же, как в тот же день в предыдущем году.

Песок выглядит как океан на этом контрастном инфракрасном изображении формации Medusa Fossae, которая считается крупнейшим источником пыли на Марсе.

Так что же является постоянной скрытой переменной среди этих неизменных погодных условий, которая объясняет, почему в одни годы бывают глобальные пыльные бури, а в другие нет? На Земле основным фактором межгодовых колебаний является тепло, хранящееся в океанах, которое мы сейчас отслеживаем с помощью спутников и буев, что позволяет нам предсказать, например, будет ли затронута погода в ближайшие несколько месяцев. Эль-Ниньо или Ла-Нинья.

Но на Марсе, где атмосфера слишком тонкая, чтобы удерживать тепло, наиболее вероятным источником изменчивости, по-видимому, является распределение пыли на поверхности. «Если глобальная буря поднимает много пыли из одного региона и оставляет его голым, то к тому же времени в следующем году там может быть все еще недостаточно пыли, чтобы вызвать локальную или региональную пыльную бурю, даже если ветры в оба года были идентичны», — говорит Ньюман.

Дополнительным вызовом для прогнозирования штормов является обратная связь, когда пыль поглощает солнечный свет и локально нагревает атмосферу. Это, в свою очередь, может усилить местные ветры, которые затем поднимут больше пыли и так далее. Поскольку глобальные штормы начинаются как небольшие региональные штормы, которые растут или сливаются, даже очень небольшие изменения ветра могут иметь решающее значение между годом с бурей и годом без него.

Еще одна обратная связь была недавно обнаружена тремя орбитальными космическими аппаратами, отправленными НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА) для наблюдения за планетой. Мало того, что Марс пыльный, потому что он сухой, он может быть сухим, потому что он пыльный. Некоторое количество воды остается на Марсе в вечной мерзлоте и ледяных отложениях и, возможно, в глубоких грунтовых водах. Но исследователи считают, что в прошлом воды было гораздо больше — свидетельство тому — долины, вырезанные океанами и реками. Одна из возможностей состоит в том, что вода ушла в космос, но как? Холодная атмосфера Марса замораживает водяной пар на малых высотах.

Данные, собранные тремя орбитальными аппаратами НАСА-ЕКА, могут содержать ответ. Космический аппарат заметил, что пыльная буря 2019 года нагрела воздух на больших высотах, в десять раз увеличив содержание воды в средней атмосфере. Считается, что после того, как вода достигает верхних слоев атмосферы, солнечное ультрафиолетовое излучение расщепляет ее на кислород и водород, которые, как самый легкий элемент, легко теряются в космосе. Таким образом, появление пыльных бурь могло быть решающим фактором в высыхании планеты.

Параллельные изображения, сделанные камерой Mars Color Imager на борту Mars Reconnaissance Orbiter, показывают Красную планету, охваченную глобальной пылевой бурей в 2018 году.

Прах к праху, Прах к праху

Откуда же берется вся эта пыль? На Земле пыль в основном образуется в результате измельчения ледников, хотя некоторое количество пыли также образуется в реках и в результате истирания песка с песком. Пыль может разноситься повсюду, иногда на значительные расстояния (железо в пыли из пустыни Сахара может играть важную роль в удобрении тропических лесов Амазонки), но обычно она попадает в ловушку, когда падает в океаны. Самые большие отложения пыли на Земле, называемые «лёссом», датируются ледниковыми периодами, когда ледниковая пыль продуцировалась в большей степени, уровень моря был ниже (таким образом обнажая богатые наносами прибрежные равнины), а в холодной сухой атмосфере выпадало меньше осадков, которые омывали землю. пыль из воздуха.

Марс холоднее и суше, чем даже Земля ледникового периода. Относительное отсутствие влаги означает, что снег не накапливается быстро, чтобы вытеснить ледники, поэтому образование пыли слабое. С другой стороны, на Марсе нет океанов, которые могли бы поглотить пыль, поэтому любая существующая пыль продолжает циркулировать вокруг планеты.

Однако пыль ложится неравномерно. Джон Грант, старший геолог Центра изучения Земли и планет Национального музея авиации и космонавтики, отмечает: «На поверхности есть светлые области, где часто скапливается [пыль], и более темные области, где она появляется, обычно относительно меньше. Области вокруг полярных шапок являются предпочтительными областями для накопления в настоящем и недавнем прошлом на Марсе, но, похоже, были другие или, по крайней мере, дополнительные области, где накопление было предпочтительным в прошлом».

Измерения марсоходами Mars Exploration Rovers (Spirit и Opportunity) элементного состава марсианской пыли показывают, что она богата серой и хлором. Хотя этих элементов много в эвапоритах (минералах, отложенных высыхающими озерами), их также много в вулканическом пепле. Этими элементами особенно богат один регион на Марсе: формация Медуза Фосса (MFF). Это обширное месторождение материала с подветренной стороны к западу от крупных вулканов Марса, и изображения показывают геологам, что этот регион изобилует ярдангами (вылепленными ветром хребтами, которые образуются в отложениях мягкого вулканического пепла). Другая группа ученых, радиолокационных астрономов, называет этот регион другим именем: «Стелс». MFF отражает очень мало энергии от лучей, направленных на него радиотелескопами на Земле, что соответствует низкоплотным мелкозернистым отложениям толщиной в десятки или сотни метров. Эти данные указывают на то, что MFF сегодня является крупнейшим источником пыли на Марсе.

Длина тени этого пылевого дьявола на Марсе указывает на то, что змеевидный шлейф достигает более 800 метров в высоту и примерно 30 метров в диаметре.

Недавно появились намеки на то, что Марс может даже дышать пылевыми следами по всей Солнечной системе. Космический корабль «Юнона», находящийся в настоящее время на орбите вокруг Юпитера, имеет чувствительные камеры слежения за звездами, которые также могут обнаруживать выбросы обломков, когда частицы пыли врезаются в массивные солнечные батареи, необходимые «Юноне» для поддержания достаточной мощности, чтобы работать так далеко от Солнца. Ученые заметили, что на пути к Юпитеру столкновение с пылью, обнаруженное звездными трекерами, было особенно обильным, когда космический корабль находился в той же орбитальной плоскости, что и Марс. На самом деле, команда Юноны предполагает, что пыль с Марса или, возможно, его спутников может быть ответственна за зодиакальный свет, слабое свечение, иногда наблюдаемое в темном небе на широкой плоскости планет.

Частично дело может заключаться в том, что плавающая пыль поглощает солнечный свет, локально нагревает атмосферу и создает собственный восходящий поток. Моделирование показало, что на гребнях марсианских гор эти восходящие потоки могут сходиться, образуя «ракетные бури», которые выбрасывают пыль на высоту от 30 до 40 километров. На самом деле изображения Маринера показали слои дымки невероятно высоко в атмосфере — они могли быть вызваны этими штормами. Но механизм доставки пыли с этих высот в космос до сих пор остается загадкой.

Пыль

Пыльные бури нанесли ущерб роботам, отправленным исследовать Красную планету. В 1997 году первый марсоход НАСА «Соджорнер» терял около 0,25% солнечной энергии каждый сол (марсианский день) из-за того, что пыль оседала на его солнечных панелях. Опыт Sojourner с пылью заставил задуматься о том, как долго Spirit и Opportunity продержатся на Красной планете. «Все, что мы запланировали, включало в себя миссию по 90 сол на каждого марсохода», — вспоминает Грант.

Но время от времени солнечные батареи марсоходов восстанавливались. Пыльные вихри — вихри, вызванные конвективными восходящими потоками, вызванными солнечным нагревом, — похоже, удалили пыль с солнечных панелей марсоходов, что позволило Spirit и Opportunity работать дольше, чем предполагалось.

К сожалению, Spirit застрял в песчаной ловушке лицом к солнцу и не пережил третью марсианскую зиму. Связь была потеряна после 2623 солов. Тем не менее, Opportunity продолжал работать, то есть до пыльной бури 2018 года. «Opportunity и раньше переживал пыльную бурю, но глобальное событие 2018 года было намного масштабнее, и вызывало все большее беспокойство, поскольку небо потемнело, а мощность марсохода упала. «, — говорит Грант. «Я определенно держал пальцы скрещенными, и было очень грустно, когда наконец объявили об окончании миссии». Opportunity просуществовал невероятные 5352 сола до своей пыльной кончины.

Всего через несколько месяцев после этого прибыл посадочный модуль InSight и начал отслеживать сейсмическую активность и погоду. Посадочный модуль был оснащен самыми большими солнечными панелями, когда-либо отправленными на Марс, рассчитанными на срок службы чуть более одного марсианского года (669 сол) — даже без каких-либо мероприятий по очистке. Грант надеялся, что пылевые вихри все еще могут время от времени протянуть руку помощи. «После случайных событий, связанных с очисткой солнечной панели от ветра/пылевых дьяволов, которые обеспечили достаточную мощность для марсоходов, у меня были такие же надежды на мероприятия по очистке от пыли в InSight», — говорит он. «Я чувствовал, что это будет просто вопрос времени, когда в InSight будет проведено большое мероприятие по очистке от пыли, которое вернет этот «новый запах посадочного модуля»» 9. 0007

Но у Марса были другие планы. Производительность солнечных панелей InSight безжалостно снизилась и составляет менее четверти от того, что было на момент их появления. Это не было полной неожиданностью, потому что орбитальная съемка равнин Элизиума до миссии показала, что скорость образования следов пыльных дьяволов была примерно в десять раз меньше, чем в кратере Гусева (где приземлился Спирит).

Если скорость образования следов пыльных вихрей, создаваемых удалением поверхностной пыли с земли, является надежным показателем удаления пыли с солнечных панелей, то в InSight может произойти хорошее событие очистки массива пылевыми вихрями. только один раз за 10 марсианских лет или около того.

Это предсказание, к сожалению, сбылось. Таким образом, при планировании будущих миссий у нас есть новая и важная загадка: что контролирует активность пылевых вихрей в разных местах на Марсе? Мы обнаружили множество вихрей в Элизиуме с помощью чувствительных манометров, датчиков ветра и даже сейсмометра InSight, поскольку низкое давление в вихре вызывает измеримую деформацию земли. Но на тысячах снимков с камер InSight мы не увидели ни одного пылевого вихря.

Одна из подсказок может лежать в следах пыльных дьяволов. В Гусеве следы часто были шириной 50 и более метров, и многие из этих следов были волнистыми, что свидетельствует о том, что пылевые смерчи бродили в безветренных условиях. Напротив, в Элизиуме дорожки преимущественно узкие и очень прямые. Это говорит о том, что преобладающий ветер может быть сильнее, унося пыльные вихри в одном направлении и, возможно, каким-то образом подавляя формирование самых больших и сильных пылевых вихрей.

Несомненно, действуют и другие факторы, такие как влияние близлежащей топографии на ветры и мелкомасштабная неровность местности. Но пока мы не поймем, в каких местах на Марсе можно регулярно удалять пыль, а в каких нет, мы не можем быть уверены, что посадочные аппараты на солнечных батареях смогут работать гораздо дольше, чем марсианский год, если только мы не создадим непомерно большие запасы — или какие-то средства для очистки пыли от пыли.