Кирилл Кондратьев - «Викинги» на Марсе

• Название: «Викинги» на Марсе
• Автор: Кирилл Кондратьев
• Издательство: Гидрометеоиздат
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1977

Обсуждены результаты исследований атмосферы, поверхности и верхнего слоя грунта Марса на основе предварительного анализа данных измерений при помощи аппаратуры, установленной на орбитальном и спускаемом аппаратах АМС «Викинг-1, -2». Полученные результаты содержат обширную информацию о структурных параметрах и составе атмосферы. Большое число изображений с орбиты и поверхности планеты позволило значительно углубить существующие представления об особенностях структуры и минералогии поверхности Марса. Впервые получен обширный комплекс данных прямых измерений на поверхности планеты, характеризующих свойства поверхности и нижних слоев атмосферы. Рассмотренные результаты имеют важное значение для понимания закономерностей погоды и климата на Марсе, открывают новые перспективы с точки зрения сравнительной метеорологии планет.

The results of investigations of the atmosphere, the surface and the upper layer of the soil of Mars are discussed on the basis of a preliminary analysis of measurement data obtained with the help of instrumentation installed on the orbital and descent vehicles Viking-1, -2. The results obtained contain comprehensive information on the structural parameters and composition of the atmosphere. Numerous images from the orbit and the planet's surface made it possible to improve essentially the existing notion of the structure and minerology of the Martian surface. For the first time, a comprehensive complex of data of direct observations on the surface of the planet has been obtained which characterizes the properties of the surface and the lower atmosphere. The results considered are of great importance for understanding the weather and climate-forming processes on Mars; they open up new perspectives from the point of view of the comparative meteorology of planets.

---

Для суточного хода скорости ветра (рис. 17) типично среднее значение 2,4 м/с при преобладании южного ветра и суточное вращение вектора скорости ветра против часовой стрелки (амплитуда суточного хода скорости ветра составляет около 5 м/с). Как уже отмечалось, преобладание южного ветра обусловлено влиянием крупномасштабной топографии.

В согласии с данными метеорологических измерений на СА «Викинг-1» аналогичные данные САВ-2 выявляют высокую степень повторяемости суточного хода температуры, ветра и атмосферного давления в период начала лета [45]. Средние максимальное и минимальное значения температуры равны 241 К и 191 К соответственно. Максимум температуры наблюдается примерно через 3 ч после полудня, а минимум — вблизи момента восхода Солнца.

  Рис. 17. Годограф вектора горизонтальной скорости ветра по данным СА «Викинга-1» за 20 марсианских суток. Цифрами у годографа обозначены часы суток, отсчитываемые от полуночи, u, v — западная и южная компоненты ветра соответственно.

Средняя скорость ветра, направленного с юго-востока на северо-запад, равна 0,7 м/с при амплитуде суточного хода, составляющей 3 м/с. Суточный ход вектора скорости ветра характеризуется его вращением по часовой стрелке (в противоположность данным САВ-1 о вращении против часовой стрелки). Суточные вариации порывистости ветра в точках посадки САВ-1 и САВ-2 сходны. Порывистость наблюдается вскоре после восхода Солнца, усиливается по мере того, как приповерхностный слой становится конвективно неустойчивым, и сохраняется до послеполуденного времени. Максимальная скорость ветра во время порывов достигала 17 м/с.

Давление обнаруживает суточную и полусуточную периодичности, но их амплитуда значительно меньше, чем в случае САВ-1. На 37-м соле стали появляться заметные отклонения от высокой повторяемости суточного хода ветра. Как и в случае САВ-1, имеет место монотонный спад давления, обусловленный уменьшением содержания СО2 в атмосфере под влиянием его конденсации в районе южной полярной шапки.

Спускаемый аппарат АМС «Викинг-2» доставил на поверхность Марса трехосный короткопериодический сейсмометр, который начал функционировать в 00 ч 53 м 01 с среднего Гринвичского времени 4 сентября 1976 г., вскоре после полудня по местному времени [14]. Первой задачей интерпретации данных сейсмометрических измерений является выявление микросейсмических шумов и их природы. Если на Земле главными источниками фоновых шумов являются океаны и атмосфера, то в условиях Марса шумы содержат важную микрометеорологическую информацию, будучи обусловлены порывами ветра.

Наблюдения обнаружили высокую корреляцию между уровнем микросейсмических шумов и скоростью ветра, полученной по данным метеорологических измерений. Наиболее спокойным временем суток оказался интервал с 18 ч (2 ч до захода Солнца) до 04 ч (вскоре после восхода Солнца), в течение которого скорость ветра снижается до значений меньше 1-2 м/с. Вариации сейсмического сигнала отражают рост интенсивности порывов ветра в послеполуденное время. Вспышки шумов продолжительностью 1-3 мин происходят в это время с интервалами 10-50 мин. Хотя за первые 60 дней наблюдений не было обнаружено марсотрясений, было бы преждевременно делать определенные выводы о сейсмичности на Марсе, поскольку существующие там условия допускают проявление сейсмичности.

Выявленное измерениями атмосферного давления монотонное уменьшение среднесуточных значений на протяжении всего 20-суточного периода следует объяснить влиянием конденсации углекислого газа в зоне южной (зимней) полярной шапки. Сравнение измеренного понижения давления (0,0122 мбар/сут) с результатами расчетов для различных моделей привело к выводу, что модель, предполагающая адсорбцию углекислого газа марсианским реголитом (во всяком случае, за период сезона) неприемлема.

Предположение о влиянии конденсации углекислого газа в зоне зимней полярной шапки на монотонное уменьшение атмосферного давления у поверхности Марса подтверждается результатами расчетов [96, 97]. Было выполнено численное моделирование общей циркуляции атмосферы (ОЦА) на Марсе для периода функционирования спускаемых аппаратов АМС «Викинг». С этой целью применена трехуровенная модель ОЦА, разработанная Минцем и Аракавой. Предполагается, что неизменное давление на уровне тропопаузы в чисто углекислотной атмосфере Марса составляет 1 мбар, начальное среднее давление на уровне поверхности планеты равно 5,81 мбар, а температура изотермической атмосферы 200 К. Заданы среднее глобальное альбедо 0,24, альбедо поверхности при наличии инея и в зоне полярных шапок 0,6, тепловая инерция грунта 272 вт/ (м2·с1/2·К), оптическая толщина облаков из льда 1 мкм и средний радиус частиц 2 мкм.

Расчеты глобальных полей атмосферного давления, температуры и геопотенциала сделаны для трех уровней σ = (Р — Рт)/(Рs — Рт) =0,213; 0,603; 0,890 (Ps, Pт — атмосферное давление на уровне поверхности и тропопаузы соответственно) для узлов сетки 5x6°. В рассматриваемый период (вторая половина лета северного полушария) происходит быстрое развитие южной полярной шапки, достигающей 45° ю. ш., которое сопровождается уменьшением массы атмосферы. В начале периода имеет место небольшое отступление северной полярной шапки, но оно полностью прекращается на 30-е сутки (статистическое равновесие ОЦА достигается через 15 сут).

Анализ полей давления, температуры и геопотенциала, полученных осреднением за 55-63 сут численного моделирования, показал, что расчетное поле ветра можно представить в виде суммы трех компонентов: зонально-симметричной, топографически обусловленной и суточной приливной. Оценки скорости ветра у поверхности в трех возможных точках посадки дали средние значения, варьирующие в пределах 20-25 м/с, но максимальные значения оказываются иногда в два раза превосходящими средние величины (более слабые ветры обнаружены в высоких широтах).

Если пренебречь влиянием адсорбции углекислого газа реголитом, то за первые два месяца функционирования АМС «Викинг» атмосферное давление у поверхности должно упасть на 0,8 мбар под влиянием аккумуляции СО2 южной полярной шапкой (выделение СО2, адсорбированного реголитом, может, вообще говоря, сглаживать эти вариации).

Наличие сильного меридионального градиента температуры в полосе 20-60° ю. ш. свидетельствует о том, что эта полоса представляет собой зону интенсивной бароклинной неустойчивости. Здесь наблюдается, с другой стороны, очень сильная статическая устойчивость. Под влиянием топографии в поле ветра формируется отчетливая компонента в виде стоячих волн. Построение годографов вектора скорости ветра в возможных точках посадки СА выявило лишь небольшое изменение скорости и направления ветра в течение суток. По-видимому, эта изменчивость недооценена, однако, примерно вдвое ввиду схематичности учета влияния атмосферных приливов.

Заключение

Погода и климат планеты в существенной степени определяются взаимодействием атмосферы с подстилающей поверхностью. Это взаимодействие выражается в обмене количеством движения, теплом, а также в газовом и радиационном обмене. Основными механизмами такого обмена являются диффузия (молекулярная и турбулентная), конвекция и перенос излучения. В настоящее время дело обстоит так, что именно эти процессы в марсианской атмосфере наименее известны. Естественно поэтому, что перспективы исследований в области марсианской метеорологии должны быть прежде всего связаны с изучением динамики и переноса излучения в пограничном слое атмосферы на основе анализа постепенно накапливающихся данных наблюдений и теоретических исследований. Особое внимание привлекают проблема малых газовых и аэрозольной компонент марсианской атмосферы, дальнейшие исследования динамики полярных шапок и ее влияния на общую циркуляцию атмосферы, выявление вклада атмосферных приливов в развитие погодообразующих процессов. Несмотря на значительный прогресс в изучении природы глобальных пыльных бурь, причины этого явления остаются недостаточно определенно выявленными. Несомненно актуальны дальнейшие прямые измерения состава и свойств марсианского грунта, что является единственным надежным путем для решения проблемы жизни на Марсе.

Как и следовало ожидать, успех миссий АМС «Викинг-1, -2» определил не только значительное расширение наших знаний о планете, но и оставил много неясных вопросов. Упомянутые выше проблемы являются лишь отдельными примерами нерешенных аспектов изучения Марса.

Список литературы

1 Аксенов С. И. и др. Марс как среда обитания.— Проблемы космической биологии, М., «Наука», 1976, т. 32, 232 с.

2 Вдовин В. В. Расчет тепловой динамики поверхности Марса.— «Космич. исслед.», 1977, т. 15, вып. 2, с. 238-247.