Глобальні пилові бурі можуть стати передбачуваними, природно спростити життя майбутніх марсіанських першопрохідників. У новому дослідженні вдалося побудувати модель, яка вказує на те, що Червона планета переживе подібну подію в найближчі кілька місяців. Вона також вказує, що його початок очікується 29 жовтня або через кілька тижнів від зазначеної дати.
Локальні пилові бурі дуже часті явища на Марсі. Вони іноді ростуть, зливаються і формують регіональну, особливо протягом південної весни та літа, коли відбувається максимальне наближення планети до Сонця. Досить часто регіональні бурі є причиною утворення пилового туману, який опоясує планету і не дозволяє бачити поверхню зверху.
Але іноді, регіональні трансформуються у глобальні; одну з них, 1971 року, спостерігав перший космічний апарат, виведений на орбіту Марса, Mariner-9, а також радянські станції "Марс-2 і -3". Створення свого роду шаблону, яким можна визначати кілька років початок глобальних штормів, до нашого часу вважається невирішеною завданням.
Остання буря у планетарному масштабі відбувалася у 2007 році. Саме тоді суттєво знизився потік сонячного світла до поверхні, що призвело до проблем експлуатації двох всюдиходів – Spirit і Opportunity. Власне, це стало першою значною загрозою для всюдиходів з моменту посадки.
Потрібно було вжити особливих заходів для забезпечення їх виживання протягом кількох тижнів, в умовах з малим потоком сонячного світла. Обидва всюдиходи працювали всього кілька хвилин щодня, і то тільки щоб забезпечити підігрів бортового обладнання, а потім відключалися і протягом наступного дня взагалі не спілкувалися з Землею.
Пилові бурі створять серйозні проблеми першим колоністам Червоної планети. Незважаючи на те, що сила вітру там не така сильна, як змальовується у фільмі «Марсіанін», пил під час штормів однозначно вплине на електроніку, а також доступність сонячного світла.
Починаючи з 1924 року, на Червоній планеті вдалося зафіксувати 9 глобальних пилових бур, з яких останні п'ять виявлено в період 1977-2007 років. Зрозуміло, що їхнє число, безперечно, більше. Справа в тому, що в якісь періоди часу на орбіті Марса не було дослідницьких апаратів, щоб зблизька спостерігати подібне явище. З Землі їх побачити дуже важко.
Дослідження виявило закономірність у наступі бур, якщо точно враховувати орбітальний рух Марса. Було виявлено, що іноді інші небесні тіла впливають його обертання навколо Сонця. Якщо вплив збільшується, глобальні бурі зазвичай відбуваються в ході першої частини сезону штормів. Жодна з них не відбулася в ті роки, коли вплив зменшувався.
Справжні умови на Марсі дуже подібні до тих, коли глобальні шторму відбувалися в минулому. Спостереження атмосфери найближчими місяцями дозволить перевірити, чи прогноз правильним.
Під час дослідження Марса радянськими автоматичними станціями "Марс-2", "Марс-3" та американською станцією "Марінер-9" на планеті вибухнула сильна курна буря. Вона розпочалася у вересні 1971 року.
Того дня обсерваторії Землі виявили білу смугу хмари довжиною приблизно 2400 і шириною 400 кілометрів. Потім смуга пожовкла і стала швидко, зі швидкістю близько 100 кілометрів на добу, поширюватися в західному напрямку планетою, покриваючи її жовтим серпанком. Через 16 днів густа пелена огорнула всю західну півкулю Марса. До кінця жовтня на планеті вже нічого не можна було розрізнити. Атмосфера почала очищатися лише у середині грудня 1971 року.
Чому виникають на Марсі такі сильні курні бурі?
Першим помутнінням окремих областей Марса помітив французький астроном О. Фложерге у 1796-1809 роках. Близько ста п'ятдесяти років тому вчені вперше припустили, що жовті хмари планети складаються з частинок пилу. Пізніше було встановлено, що ці хмари з'являються там, де поверхня Марса нагрівається сильніше, ніж звичайно.
Жовті хмари майже щоразу накривають всю планету в той час, коли вона знаходиться поблизу перигелія - точки своєї орбіти, найближчої до Сонця. У цей час у південній півкулі Марса, там, де виникають глобальні бурі, якраз починається літо. Зв'язок між нагріванням планети та появою всемарсіанської запорошеної пелени неодноразово відзначалася астрономами. Вони помітили її у різні роки. Це роки великих протистоянь Марса, коли він найближче підходить до Землі, і коли ми найкраще можемо його розглянути.
Подальші дослідження показали, що підйом невеликих кількостей пилу в атмосферу Марса відбувається майже завжди в теплу пору року в марсіанський опівдні та післяполудні години. Це підтвердило аналіз десятків тисяч фотографій, зроблених за програмою Міжнародного патруля планет.
Отже, великі курні бурі на Марсі з'являються при перегріві на поверхні планети. Ще одна необхідна умова – вітер досить великої швидкості: близько 50 метрів за секунду. Мають значення також вертикальні рухи в атмосфері та ступінь шорсткості поверхні.
Початок бурі можна уявити так. Спочатку піднімаються частинки розміром близько 200 мікронів. Тяжкіші вітер ще не може відірвати від поверхні, а легші не злітають через вихори. Швидкість вітру зростає – піднімаються великі та дрібні частки. Великі відразу падають на поверхню і вибивають дрібніші вгору. Вони, своєю чергою, піднімаються до висот. Потік може зважувати частки, утримувати в собі. Розмір частинок – один або кілька мікронів.
Нарешті, пилова хмара досягла великих розмірів, концентрація пилу в ній дуже велика. Починається новий етап: хмара впливає на потік, що народив і несе. Частки, що летять, упорядковують рух вітру, роблять його більш стабільним і тому більш швидким. Цей парадоксальний факт було встановлено ще радянськими вченими щодо пильних бур у Казахстані. Земні курні бурі часом досягають просто шаленої сили - швидкість вітру нерідко перевищує 40 метрів за секунду.
На Марсі перепади температур на поверхні планети можуть досягати 100 градусів Цельсія. Температура також може змінюватися з висотою - в межах буквально декількох метрів. Це створює нестійкість атмосфери та сприяє збільшенню швидкості вітру з висотою. Зрозуміло, чому пилові бурі виникають у теплу пору року – нагрівання поверхні робить марсіанську атмосферу найбільш нестійкою.
І, нарешті, ще одна обставина. Коли планета покрита пилом, значна частина сонячної радіації поглинається пилом в атмосфері планети. Тому атмосфера стає теплішою, а поверхня планети - холоднішою від звичайного. Через це під курними хмарами можуть виникати сильні вихори. Вони стають новими постачальниками пилу у хмару. Припиниться це лише тоді, коли хмара стане досить великою і зменшить температурні контрасти в атмосфері. Частинки пилу почнуть випадати.
А що ж наша планета? Пильні бурі Землі ставляться до розряду найнебезпечніших явищ природи. Щоби боротися з ними, треба все знати про них. Ось чому вивчення запорошених бур у планетології так цікаво і важливо.
Відомо, що на Марсі лютують пилові бурі, ці бурі бувають неймовірно масштабними і можуть овувати всю планету. Крім того, поверхня Марса усіяна незліченними смерчами, що кидаються по його рівнинах і знімають пил, що захоплюється унікальним для планети «пиловим циклом».
Зроблені з орбіти показують, що основною причиною ерозії на Марсі є вітру. Великі дюнні рівнини, хитромудрі скельні утворення і небеса, подерті серпанком - такий цей суворий вітряний світ.
Письменники-фантасти швидко підхопили ідею частих штормів, які здалеку виглядають жахливими. Велетенські стіни пилу, на тлі яких найбільші земні пилові або піщані бурі виглядають безглуздими карликами, блискучі списи блискавок, що виникли через атмосферне тертя, жахливі урагани, що змітають все на своєму шляху, астронавтів, що розкидають і корижують обладнання.
На жаль, реалії марсіанських пилових бур дещо скромніші - факт, який НАСА хоче донести до аудиторії, яка з нетерпінням очікує нового фільму Рідлі Скотта «Марсіанін».
Дія фільму, знятого за бестселером Енді Віра, відбувається в недалекому майбутньому під час пілотованої експедиції на Марс. Через люту пилову бурю місія зазнає невдачі, планетарна база пошкоджена, а один з астронавтів, Марк Уотні (у виконанні Метта Деймона) втрачається після пошкодження скафандра і колеги вирішують, що він загинув у страшних марсіанських вітрах.
Але, як і безліч інших спекуляцій фантастів на тему Марса, ця сцена вводить глядача в оману, тому що вчені мають дещо інші дані про його атмосферний тиск.
Хоча, зрозуміло, пилові бурі Марса по-своєму небезпечні, вкрай малоймовірно, що вони когось розкидають чи щось підкорять. Найсильніший марсіанський вітер дме зі швидкістю 60 миль на годину (менше 30 метрів за секунду), наполовину менше від якогось земного урагану. Власне, втім, ушкодження завдає не так сама швидкість вітру, як атмосферний тиск, з яким на Марсі саме туго. Воно становить приблизно один відсоток від земного, так що якщо ви вирішите зайнятися кайтингом на Червоній Планеті, на вас чекає неслабке розчарування.
«Основна різниця між атмосферами Землі та Марса в тому, що тиск на останньому набагато нижчий», - каже фізик Вільям Фаррелл із Центру космічних польотів Годдарда в Грінбелті, штат Меріленд, що займається аналізом марсіанських пилових бур. «Тому, звичайно, вітри дмуть, але не так уже й сильно».
Хоча найбільш шалений ураган на Марсі за земними мірками буде скоріше схожий на бриз, марсіанські пилові бурі все ж таки можуть стати проблемою для майбутніх астронавтів, особливо якщо вони будуть залежні від сонячної енергії.
У «Марсіаніні» Уотні щодня чистить сонячні панелі, щоб вони не заростали пилом. Як показав досвід марсоходів на сонячних батареях, зокрема ветерана НАСА Opportunity, який їздить Марсом на сонячній тязі ось уже десять років, це серйозна проблема, що серйозно впливає на обсяг енергії, що отримується. Коли атмосфера насичується дрібнодисперсним пилом під час бур, сонячне світло практично не досягає поверхні.
"Ми турбуємося за енергозабезпечення марсоходів, це важливе питання", - говорить вчений Майкл Сміт, також із центру Годдарда. "Апатари Spirit і Opportunity були доставлені на планету в 2004-му році і поки що потрапили тільки в одну серйозну пилову бурю (2007-му), але тоді їм довелося фактично припинити функціонувати і перейти в режим життєзабезпечення на кілька тижнів".
Але дрібнодисперсний пил завдає незручностей не тільки через сонячні панелі. Мало того, що її частинки намагнічені, вони ще покриті гострими зазубринами (оскільки на Марсі немає інших ерозійних процесів, щоб їх обкатати), здатними завдати механічних пошкоджень.
"Якщо ви бачили фотографії Curiosity після поїздки, то пам'ятайте, що його нібито викопали з ями", - додав Сміт. «Пил покриває все, як ковдру, і забивається у всі зчленування, що рухаються».
Пильна атмосфера Марса, безсумнівно, завдасть клопоту наземним апаратам, а також здоров'ю астронавтів, якщо колись ми відправимо туди довгострокову експедицію (на додаток до підвищеного рівня радіації та токсичних речовин у марсіанському реголіті та грунті). Крім того, причини, що викликають планетарні пилові бурі, поки що вивчені вкрай погано.
«Порівняно великі пилові бурі трапляються на Марсі щороку, вони набувають континентальних розмірів і тривають кілька тижнів кожна», - говорить Сміт. «Але кожні три марсіанські роки (приблизно п'ять із половиною земних) звичайна буря розростається до планетарних розмірів, такі ми називаємо "глобальний пиловий шторм"».
«Можливо, бурі потрібен час, щоб зібратися з силами. Може, є якийсь цикл, через який їй потрібно пройти, а потім потрапити у потрібне місце і запустити нову бурю, а може, це просто справа випадку».
Людство спостерігало глобальні пилові шторми на Марсі з 1909 року, останній трапився 2007-го, так що Марс якраз чекає на нового гіганта.
«Ми чекаємо на глобальний шторм, і цього разу він обіцяє бути дійсно грандіозним, так що це буде весело», - говорить він. «Люблю пилові шторми».
З кожною наступною бурею на Марсі ми дізнаємося все більше і більше про процеси, що відбуваються там, щоб краще підготуватися до першої висадки на цю запорошену, незнайому планету. Але щодо лютих штормів можна бути впевненим, що нікого, крім марсіаніна Уотні, його вітрами не здує.
НАСА розповіло правду та вигадки про небезпеку пилових бур на Марсі, деякі з яких можуть бути помітні з наземних телескопів. Цю інформацію використали у створенні нового фільму "Марсіанін" режисера Рідлі Скотта. Про це повідомляє сайт NASA.
Пиловий «хвіст» (Фото: NASA / JPL-Caltech / University of Arizona)
Події фільму «Марсіанін», який вийде на екрани у жовтні 2015 року, починаються з того, що герой Енді Віра (астронавт Марк Уітні) стикається із сильною пиловою бурею. Вона зриває антену, що передає, і руйнує частину табору. НАСА не заперечує, що пилові бурі є однією з неприємних особливостей Червоної планети.
"Щороку на Марсі спостерігаються помірно-великі пилові бурі, які охоплюють райони розміром із земний континент і тривають тижнями", - сказав планетолог Майкл Сміт із Центру космічних польотів Годдарда НАСА в Грінбелті (штат Меріленд).
Тим часом, на Червоній планеті, як зазначив учений, спостерігаються й набагато сильніші шторми. Глобальні пилові бурі формуються з помірно-великих і виявляють себе в середньому раз на три марсіанські роки (цьому відповідає приблизно 5,5 земних роки).
Однак, як зазначає вчений, малоймовірно, що ці пилові бурі зможуть навіть потривожити волосся астронавта на Червоній планеті (якщо останній наважиться зняти скафандр). Крім того, навіть глобальні пилові бурі, швидше за все, не в змозі перекинути чи зруйнувати будь-яке обладнання.
Це пов'язано з тим, що швидкість найсильніших вітрів на Марсі не перевищує 27 метрів за секунду, що більш ніж удвічі менше від швидкості деяких ураганних вітрів на Землі. Крім того, щільність марсіанської атмосфери у сто разів менша, ніж земної.
Пил після бурі в 2008 році закрили панелі Spirit (Фото: NASA/JPL-Caltech/Cornell)
«Головна відмінність між Землею та Марсом полягає в тому, що атмосферний тиск на Червоній планеті набагато менший», - сказав фахівець у галузі фізики плазми Вільям Фаррелл. «Таким чином, усі [частинки в атмосфері Марса] стає вітром, але не з тією ж інтенсивністю [порівняно із Землею]», - додав він.
Однак пилові бурі на Марсі не є абсолютно нешкідливими. Окремі невеликі частинки пилу можуть нести електростатичний заряд і «прилипати» до поверхонь, зокрема ілюмінаторів та механічних деталей наукового обладнання.
Нейтралізація електростатичних зарядів та усунення пилових забруднень є одним із основних завдань, яке вирішують інженери, що проектують обладнання для досліджень Марса.
Цей же пил є великою проблемою для сонячних батарей. Навіть невеликі пилові бурі здатні занести на сонячні панелі достатньо частинок для того, щоб значно зменшити надходження сонячної енергії.
У фільмі Марсіанін астронавт Вітні щодня усуває пилові забруднення із сонячних панелей. Також НАСА зазначає, що глобальні бурі на Марсі можуть призвести до деякого затемнення атмосфери Червоної планети.
«Ми справді турбувалися про енергію марсоходів. Ровери Spirit і Opportunity, які висадилися на Марсі в 2004 році, лише раз випробували на собі глобальний шторм (у 2007 році), і в основному вони на кілька тижнів припинили свою роботу і перейшли в режим виживання», - сказав Сміт.
Найчастіше глобальні пилові бурі на Марсі відбуваються влітку в південній півкулі планети. Як і на Землі, пори року на Червоній планеті обумовлені її нахилом до площини орбіти. Однак орбіта Марса більш витягнута, ніж у Землі, що означає, що протягом марсіанського року одна зі сторін планети нагріта сильніше, ніж інша.
Протягом ось уже понад сто років письменники-фантасти з усього світу намагаються уявити те, на що було б схоже життя космонавтів на Марсі. Але, у міру того, як людство стає все більшеі більш обізнаним про марсіанські умови, опис життя на Марсі наукових фантастів стають все більшереалістичними. З недавнього – фільм «Марсіанін», в основі якого лежить науково-фантастичний роман Енді Віра. Головний герой «Марсіаніна» через непередбачені обставини залишається один на червоній планеті і починає боротьбу за виживання. А на початку XX століття американський автор Едгар Райс Берроуз уже мріяв про подорожі на Марс. Заради справедливості варто сказати, що червона планета настільки захоплювала людей, тому про неї випустив серію оповідань навіть знаменитий богослов і автор фентезійних історій Клайв Стейплз Льюїс. Саме він створив цикл "Хроніки Нарнії".
Уявлення художника у тому, як пилова буря на Марсі насувається на дослідницьку станцію. Такі явища на червоній планеті можуть супроводжуватися розрядами атмосферної електрики. Джерело: NASA
Роман «Марсіанін» починається з величезної піщаної бурі, яка пошкоджує передавальну антену та частину обладнання, через що вигаданий персонаж Марк Уотні залишається на Марсі, тоді як інші учасники місії відлітають, вважаючи його загиблим. Такий розвиток подій виглядає дуже правдоподібним, оскільки Марс знаменить своїми дуже активними піщаними бурями, які іноді стають такими великими, що їх можна спостерігати в телескопи на Землі.
«Щороку на Марсі виникають помірно великі піщані бурі, які покривають області розмірами із земний континент і тривають протягом тижнів після свого утворення. Але приблизно кожні три марсіанські роки (5.5 земних років) звичайні урагани перетворюються на гігантські шторми, які здатні огорнути всю планету», - Майкл Сміт, планетолог із Центру космічних польотів НАСА.
Вчені вважають малоймовірним те, що навіть планетарні піщані бурі на Марсі можуть призвести до важких наслідків. Навіть найсильніші вітри, які в цей час дмуть, не зможуть зруйнувати або навіть перекинути спеціально розгорнуте механічне обладнання. Вітер у найсильніших марсіанських ураганах досягає швидкостей приблизно ста кілометрів на годину, це більш ніж наполовину слабше, ніж деякі урагани на Землі. Саме тому зосереджуватися тільки на швидкості вітру не варто. Щільність атмосфериМарса становить приблизно один відсоток плвідносності атмосфериЗемлі. Це означає те, що для того, щоб запустити земного паперового змія на червоній планеті, вітер має дути набагато сильніше.
«Основна відмінність між Землею та Марсом полягає в тому, що атмосферний тиск на Марсі набагато менший. Таким чином, речі та предмети можуть бути віднесені з його поверхні, але не з такою ж силою, як на Землі», - Вільям Фаррел, фізик, який вивчає плазму.
Проблеми сонячної енергетики
Але як би там не було, піщані бурі Марса не є абсолютно нешкідливими. Окремі частки пилу на червоній планеті дуже дрібні і трохи електростатичні, таким чином вони здатні «приклеюватися» до різних поверхонь.
«Якщо ви коли-небудь звертали увагу, на знімках марсоходу Curiosity можна побачити, що після кожної поїздки він стає дуже брудним. Пил покриває практично все. Вона навіть проникає в механізми та прилади», - Майкл Сміт.
Така здатність пилу проникати скрізь і всюди є основною проблемою для інженерів, які проектують обладнання марсіанських роверів. Особливо це велика проблема для сонячних батарей. Навіть якщо апарат потрапить у зовсім невелику пилову бурю або завихрення, розмірами всього кілька метрів, вітер може перенести достатньо пилу, що покрити фотоелектричні перетворювачі і значно зменшити корисну поверхню, здатну перетворювати сонячну енергію в електричну. Якщо звернутися до того ж «Марсіаніну», то Марк Уотні щодня витрачає певний час, щоб очистити сонячні батареї для гарантування їхньої максимальної продуктивності.
Це зображення самого себе марсохід Opportunity виконав за три тижні до десятирічного ювілею роботи на Марсі. Панорамна камера Pancam виконувала зйомку ровера в період із 3 по 6 січня 2014 року. Зверніть увагу на те, наскільки запорошилися сонячні батареї. Джерело: NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./Arizona State Univ.
Глобальні урагани можуть створити вторинну проблему, яку неможливо буде вирішити простим здуванням пилу з поверхні. В атмосфері може бути перманентно така кількість пилу, що буде заблоковано якусь частину сонячного світла, а, отже, і знизиться ККД сонячних батарей. У книзі, коли астронавт вперше стикається з великою піщаною бурею, він відразу помічає невелике зниження ефективності його батарей, викликане незначним затемненням атмосфери. Це досить точний опис, з чим можуть зіткнутися дослідники під час реальних марсіанських експедицій.
«Наразі ми дуже стурбовані енергоспоживанням наших марсоходів. Ровери Spirit і Opportunity спустилися на поверхню в 2004 році, тому вони поки що пережили тільки один глобальний ураган в 2007 році, через який їм довелося припинити роботу і піти в режим очікування на кілька тижнів», - продовжує Майкл Сміт.
Пилова метушня
Як уже згадувалося, глобальні піщані бурі піднімають у повітря достатньо пилу, щоб повністю покрити планету і закрити Сонце. але таким чиномсам ураган також стає приреченим зникнення. Справа в тому, що основним механізмом, який приводить у рух усі ці урагани, є висока температура сонячного світла, яка досягає саме поверхні планети. Оскільки світло падає на ґрунт, таким чином він підігріває повітря, що знаходиться близько біля його поверхні, залишаючи верхні шари прохолоднішими. Так само як і на Землі під час гроз, тепле та холодне повітря, змішуючись, стають нестійким, теплі шари починають підніматися, несучи із собою через нестійкість та частинки пилу. Саме з таких маленьких завихрень і утворюються ті дивні пилові «привиди», помічені на деяких зображеннях Марса. Потім утворюються шторми помірних розмірів, потім – розміром із континент. Іноді такі великі урагани можуть об'єднатися в один глобальний вихор, який і покриває всю планету пилом.
Дослідники та планетологи досить точно визначили, що великі урагани зазвичай відбуваються протягом літа у південній півкулі Марса. Відомо, що на червоній планеті, так само як і на Землі, відбувається зміна пори року, яка викликана нахилом осі обертання планети. Але у зв'язку з тим, що орбіта Марса має більший ексцентриситет, ніж орбіта Землі, червона планета рухається більш еліптичною орбітою. Мінімальне зближення із Сонцем якраз збігається з літнім періодом у південній півкулі, а, отже, значення температури є найбільшими саме тоді. Після того, як починається ураган, він не вщухає протягом тижнів і навіть місяців. Але вчені досі невпевнені, чим обумовлені такі великі проміжки між ураганами.
Пиловий вихор, зафіксований на Марсі камерою HiRISE орбітальної станції Mars Reconnaissance Orbiter. Ця сцена відображена вдень пізньої марсіанської весни. Кадр охоплює область розміром 644 метри. Судячи з тіні, яку вихор відкидає на поверхню, вдалося встановити, що він може досягати 800 метрів у висоту, а його діаметр становить близько 30 метрів.
Loading...