Какой газ составляет основу атмосферы марса. Наса предлагает восстановить атмосферу марса при помощи магнитного щита
> > > Атмосфера Марса
Марс - атмосфера планеты : слои атмосферы, химический состав, давление, плотность, сравнение с Землей, количество метана, древняя планета, исследования с фото.
А тмосфера Марса составляет всего 1% земной, поэтому на Красной планете нет никакой защиты от солнечного излучения, а также нормального температурного режима. Состав атмосферы Марса представлен углекислым газом (95%), азотом (3%), аргоном (1.6%) и небольшими примесями кислорода, водяного пара и прочих газов. Также она переполнена мелкими пылевыми частичками, из-за которых планета кажется красной.
Исследователи полагают, что ранее атмосферный слой был плотным, но 4 млрд. лет назад разрушился. Без магнитосферы солнечный ветер врезается в ионосферу и снижает атмосферную плотность.
Это привело к низкому показателю давления – 30 Па. Атмосфера простирается на 10.8 км. В ней присутствует много метана. Причем заметны сильные выбросы в конкретных областях. Выделяют две локации, но источники пока не обнаружены.
В год выходит 270 тонн метана. А значит, речь идет о каком-то активном подповерхностном процессе. Скорее всего, это вулканическая активность, кометные удары или серпентинизация. Наиболее привлекательный вариант – метаногенная микробная жизнь.
Теперь вы знаете о наличии атмосферы Марса, но, к сожалению, она настроена на истребление колонистов. Она не дает скопиться жидкой воде, открыта для радиации и чрезвычайно холодная. Но в ближайшие 30 лет мы все равно нацелены на освоение.
Диссипация планетных атмосфер
Астрофизик Валерий Шематович об эволюции планетных атмосфер, экзопланетных системах и потере атмосферы Марса:
Знакомство с любой планетой начинается с её атмосферы. Она обволакивает космическое тело и защищает его от внешних воздействий. Если атмосфера сильно разреженная, то такая защита чрезвычайно слабая, а вот если она плотная, то планета находится в ней как в коконе – примером здесь может служить Земля. Однако такой пример в Солнечной системе единичный и не распространяется на другие планеты земной группы.
А поэтому атмосфера Марса (красная планета) чрезвычайно разреженная. Её примерная толщина не превышает 110 км, а плотность в сравнении с земной атмосферой равна всего 1%. В добавлению к этому у красной планеты чрезвычайно слабое и неустойчивое магнитное поле. Как результат, солнечный ветер вторгается на Марс и рассеивает атмосферные газы. В результате этого в сутки планета теряет от 200 до 300 тонн газов. Всё зависит от солнечной активности и от расстояния до светила.
Отсюда не трудно понять, почему атмосферное давление очень низкое. На уровне моря оно меньше земного в 160 раз . На вулканических вершинах оно составляет 1 мм рт. ст. А в глубоких впадинах его величина достигает 6 мм рт. ст. Средняя величина на поверхности равна 4,6 мм рт. ст. Такое же давление фиксируется в земной атмосфере на высоте 30 км от поверхности Земли. С такими величинами вода не может в жидком состоянии присутствовать на красной планете.
В атмосфере Марса углекислого газа содержится 95% . То есть можно говорить, что он занимает господствующее положение. На втором месте находится азот. Его насчитывается почти 2,7%. Третье место занимает аргон – 1,6%. А кислород находится на четвёртом месте – 0,16%. Присутствуют также в небольшом количестве угарный газ, водяной пар, неон, криптон, ксенон, озон.
Состав атмосферы таков, что дышать на Марсе людям невозможно . Передвигаться по планете можно только в скафандре. В то же время надо отметить, что все газы химически инертны и среди них нет ни одного ядовитого. Если бы давление на поверхности было хотя бы 260 мм рт. ст., то по ней можно было бы передвигаться без скафандра в обычной одежде, имея только дыхательный аппарат.
Некоторые специалисты считают, что несколько миллиардов лет назад атмосфера Марса была значительно плотнее и с большим содержанием кислорода. На поверхности имелись реки и озёра из воды. На это указывают многочисленные природные образования, напоминающие собой высохшие русла рек. Возраст их оценивается примерно в 4 млрд. лет.
Из-за высокой разреженности атмосферы температура на красной планете характеризуется высокой неустойчивостью. Наблюдаются резкие суточные колебания, а также высокая температурная разница в зависимости от широт. Средняя температура равна –53 градуса по Цельсию . Летом на экваторе средняя температура составляет 0 градусов по Цельсию. В то же время она может колебаться в дневное время от +30 до –60 ночью. А вот на полюсах наблюдаются температурные рекорды. Там температура может падать до –150 градусов по Цельсию.
Несмотря на низкую плотность, в атмосфере Марса часто наблюдаются ветра, смерчи, бури. Скорость ветра доходит до 400 км/ч. Она поднимает вверх розовую марсианскую пыль, и та закрывает поверхность планеты от любопытных взглядов людей.
Надо сказать, что хотя марсианская атмосфера и слабенькая, но у неё хватает сил противостоять метеоритам. Незваные гости из космоса, падая на поверхность, частично сгорают, а поэтому на Марсе не так уж и много кратеров. Мелкие метеориты сгорают в атмосфере полностью и не причиняют соседу Земли никакого вреда.
Владислав Иванов
Как и у любой крупной планеты, у Марса есть атмосфера. Она состоит из газообразного вещества, которое планета удерживает за счет притяжения. Впрочем, воздух на Марсе сильно отличается от земного.
Общие сведения об атмосфере Марса
Атмосфера у Марса значительно тоньше, чем у Земли. Ее высота равна 11 км, что составляет примерно 9-10% от земной. Это вызвано слабой силой притяжения на планете, неспособной удержать более широкий слой газа. Малая толщина и плотность атмосферы вызывает такие воздушные явления, каких нельзя застать на Земле.
Химически атмосфера состоит в основном из углекислого газа.
Плотность атмосферы также очень мала: более чем в 61 раз меньше средней плотности на Земле.
Из-за своих свойств атмосфера постоянно подвергается воздействию солнечного ветра, теряя вещество и рассеиваясь быстрее, чем на других планетах. Этот процесс называется диссипацией. Это связано с тем, что у планеты Марс нет магнитного поля.
Структура атмосферы
Даже будучи тонкой, марсианская атмосфера неоднородна и имеет слоистую структуру. Ее строение выглядит так:
● Ниже всех слоев находится тропосфера. Она занимает все пространство от поверхности до 20-30 км. Температура здесь равномерно уменьшается по мере подъема. Верхняя граница тропосферы не фиксирована, и изменяет свое положение на протяжении года.
● Выше находится стратомезосфера. Температура в этой части примерно одинакова и равна –133 °C. Она продолжается вплоть до высоты в 100 км над поверхностью, где вместе с ней заканчивается вся нижняя атмосфера.
● Все, что расположено выше (до границы, где начинается космос) называется верхней атмосферой. Другое название этого слоя – термосфера, а его средняя температура – от 200 до 350 К.
● Внутри нее выделяется ионосфера, для которой, как видно из названия, характерен высокий уровень ионизации, возникающий из-за солнечного излучения. Она начинается примерно там же, где и вся верхняя часть и имеет протяженность примерно в 400 км.
● На высоте около 230 км термосфера заканчивается. Ее последний слой называется экобаза.
● Не принадлежащей ни к нижней, ни к верхней атмосфере определяют хемосферу, в которой происходят химические реакции, инициируемые светом. Из-за отсутствия у Марса какого-либо аналога земного Озонового слоя, этот слой начинается на уровне поверхности. А заканчивается он на высоте в 120 км.
Итак, поверхность Марса покрыта достаточно тонкой и разреженной атмосферой, которая, впрочем, имеет относительно сложную структуру. Всего атмосфера Марса состоит из семи слоев, однако это число в разных источниках может меняться, так как ученые еще не пришли к согласию относительно природы некоторых слоев.
Не стоит думать, что слоистая структура указывает на статичность. Атмосфера Марса также склонна к изменениям, как и земная: в ней присутствует и общая циркуляция, и частные перемещения потоков воздуха.
Состав атмосферы
Химический состав атмосферы Марса сильно отличается от земного. Воздух на Марсе состоит из следующих газов:
● Основу атмосферы планеты Марс составляет углекислый газ. Он занимает примерно 95% от её объёма. Это единственный тяжелый газ, который способна удержать планета.
● Большую часть углекислого газа составляет CO2, однако долю от него занимает и оксид углерода CO. Эта доля необычно мала и заставляет ученых строить теории о том, почему CO не накапливается.
● Азот N2. Он составляет очень малую часть атмосферы – всего 2,7%. Однако задержаться в атмосфере он может только в виде двойной молекулы. Излучение Солнца постоянно расщепляет атмосферный азот на атомы, после чего он рассеивается.
● Аргон занимает 1,6% и представлен в основном тяжелым изотопом аргон-40.
● Кислород на Марсе также есть, но содержится в основном в верхней атмосфере и появляется при разложении других веществ, откуда затем переходит и в нижние слои. Из-за этого на высоте примерно 110 км и выше содержится в 3-4 раза больше O2, нежели ниже этого уровня. Дышать им нельзя.
● Озон – наиболее неопределенный газ в марсианской атмосфере. Его содержание зависит от температуры воздуха, а значит от времени года, широты и полушария.
● Метан на Марсе, несмотря на малое содержание в атмосфере, – один из самых загадочных газов планеты. Он может иметь несколько источников, но наиболее актуальных два: влияние температур (например, в вулканах) и переработка веществ бактериями и жвачными животными, после чего образуется бактериальный метан. Последний представляет особый интерес для астробиологии – именно его ищут на потенциально населенных планетах, чтобы доказать что на них есть жизнь. На что может указывать метан, появляющийся на Марсе всплесками – неизвестно.
● Органические соединения, такие как H2CO, HCl и SO2, тоже есть в составе атмосферы Марса. Они могут прояснить вопрос, о котором говорилось выше, так как их наличие говорит об отсутствии вулканической активности – а значит и термогенного метана.
● Вода. Пусть ее содержание в несколько сотен раз меньше чем в самых сухих районах Земли, она все же присутствует.
● Стоит также упомянуть, что атмосфера Марса наполнена мельчайшими пылевыми частицами (преимущественно — оксид железа). Они делают атмосферу красновато-оранжевой со стороны, и они же отвечают за цвета неба, обратные земным: дневные небеса на Марсе желто-коричневые, на закате и рассвете они становятся розовыми, а вокруг Солнца – голубыми.
Облака
Атмосфера Красной планеты способна формировать те же явления, что и земная. К примеру, на Марсе есть облака.
Парообразной воды в атмосфере планеты Марс крайне мало, но все же достаточно для появления облаков. Чаще всего они находятся на высоте от одного до трех десятков километров над поверхностью. Концентрированный водяной пар собирается в облака преимущественно на экваторе – там их можно наблюдать весь год.
Помимо этого, облако на Марсе может образовывать и CO2. Обычно оно находится выше водяных (на высоте примерно 20 км).
Также на Марсе бывают и туманы. Чаще всего – в низинах и кратерах, ночью.
Однажды на снимке марсианской атмосферы обнаружили вихревидные системы из облаков. Это было свидетельством более сложного климатического явления – циклона. На Земле это привычное явление, но на других планетах – достаточно необычное. Больше о марсианских циклонах пока ничего не известно.
На Марсе не бывает обычных дождей, но в числе природных явлений иногда наблюдается вирга – капли или снег, которые испаряются в воздухе, не долетая до земли.
Парниковый эффект
Речь о парниковом эффекте на Марсе всегда заходит в контексте обсуждения когда-то существовавшей на нем жидкой воды. Об этом уже говорят “реки” на поверхности, но этого ученым оказалось недостаточно, и они решили найти то, что позволило жидкой H2O появиться.
Когда Марс был молодой планетой, вулканы на нем были крайне активны. Каждый вулканический взрыв на Марсе выделял углекислый газ и метан, который разлагался под действием солнечных лучей, производя водород и создавая “водородный парниковый эффект”. В какой-то момент концентрация последнего газа увеличилась настолько, что позволила существование озер, рек и даже целых океанов воды. Однако со временем атмосфера планеты истончилась и больше не смогла обеспечивать условия, в которых вода оставалась бы жидкой. Сейчас на Марсе можно найти только водяной пар или лед. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при помощи сублимации, минуя жидкую стадию. Это можно назвать уникальной особенностью в истории атмосферы Марса, так как подобного не происходило пока что ни на одной другой планете. Впрочем, это только научная теория.
Давление
В среднем атмосферное давление на Марсе равно 4,5 мм ртутного столба или 600 Паскалям. Это составляет одну 169-ую часть от среднего давления на Земле. Такое давление делает невозможным выживание человека на поверхности без скафандра. Людям, попавшим на открытую поверхность планеты Марс без защиты, грозит мгновенная смерть. Причиной тому существование так называемого лимита Армстронга – уровня давления, при котором вода закипает при обычной температуре тела человека. Давление атмосферы на поверхности Марса значительно ниже этого предела.
Пылевые смерчи
Пылевые бури, регулярно происходящие на Марсе – особенность этой планеты. Их причина – бури на Марсе, скорость ветра в которых достигает 100 км/ч. Воздух собирает висящую в атмосфере пыль на высоту до 50 км. Это порождает на Марсе те самые пылевые бури. Чаще всего они возникают в полярных регионах и бушуют на протяжении 1,5 – 3 месяцев. Похожим образом на Марсе возникают и песчаные бури. Отличие лишь в том, что на этот раз в воздух поднимаются более крупные частицы, осевшие на поверхность – песок.
Впрочем, если на Марсе есть ветер, то должны быть и опасные воздушные явления, которые он вызывает. К примеру, смерчи. Они, так же как и бури, поднимают в воздух песок и пыль, но простираются на сотни метров в ширину и километры в высоту и представляются куда более опасными (даже несмотря на то, что их скорость втрое ниже, чем у бурь – только 30 км/ч). Из-за все той же малой плотности атмосферы смерчи на Марсе больше похожи на торнадо. Второе их название – пылевые дьяволы. С орбиты видно, как они оставляют черные вихрящиеся следы на светло-песчаной поверхности.
Радиация
Радиация на Марсе представляет для людей не меньшую опасность чем пыль или низкое давление. Причины тому две: слабость и разреженность атмосферы и отсутствие магнитосферы у планеты Марс. Воздушная часть не способна защитить его поверхность от радиационного космического излучения. Именно поэтому за несколько дней, проведенных на планете без защиты, космонавт получит годовую дозу облучения.
Терраформирование
Несмотря на все это, люди по-прежнему мечтают подчинить себе Марс и даже сделать его обитаемым. Атмосфера Марса – одно из главных препятствий на этом пути. Однако терраформирование Марса предлагают провести не только обеспечив его кислородом и плотной атмосферой, но и создав при этом крупный источник космического топлива. Предлагается химически разлагать углекислый газ на кислород и CO, которым можно будет обеспечивать колонию и заправлять транспорт, чтобы наладить связь с Землей.
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.
Приближается эра колонизации Марса. NASA запланировало первую экспедицию на Красную Планету летом 2020 года и на нее было выделено около двух миллиардов долларов США. На фоне этого появилась потребность добывать кислород, который в прямом смысле жизненно необходим для пребывания астронавтов на космической станции. Расчеты показали, что транспортировка основного для жизнедеятельности человека газа с Земли обходится слишком дорого. Это послужило стартом размышлений ученых на тему: есть ли кислород на марсе и, если его недостаточно, то как его «изобрести».
Сколько кислорода в атмосфере Марса?
Опережая события, сразу обозначим: кислород на Марсе есть, однако в чистом виде его количество составляет только 0,13%. Вдохнув один раз марсианского воздуха, человек погибнет мгновенно. Большая часть кислорода в Красной Планеты существует в виде углекислого газа, который на 95% составляет атмосферу Марса. Оставшаяся часть это:
- 1,6% аргона;
- 3% азота;
- 0,27% — остатки водяного пара и прочие газы.
Также кислород может существовать в виде оксида железа, который придает планете красный цвет.
Однако ученые предполагают, что очень давно, газы, окружающие Марс обладали гораздо большим объемом кислорода, и что единственная причина, по которой Земля не превратилась в Красную Планету – растения, который постоянно вбирают в себя углерод из углекислого газа. Именно экосистема вырабатывает тот воздух, которым мы дышим. Если бы Марс был ближе к Солнцу (достаточно теплый для жидкой воды) и достаточно большой, чтобы удерживать более плотную атмосферу, там могли бы расти растения, подобные тем, что растут на Земле. Но в нынешних условиях растениям понадобились бы специальные купола, отопление, вода и искусственный свет.
Как можно получить кислород на Марсе
Учитывая то, что кислород на Марсе нетипичное явление, ученые решают проблему с его воспроизводством. Было предложено 3 основных способа, позволяющих вырабатывать воздух на Красной Планете:
- При помощи бактерий, способных поглощать из углекислого газа воздух.
- Топливный элемент, предложенный Массачусетским технологическим институтом MOXIE.
- Применение низкотемпературной плазмы, которая способна при помощи частиц, содержащихся в ионизированном газе извлекать ионы кислорода.
Воздух на Марсе необходим для бесперебойной работы научно – исследовательской станции. Его воспроизводство позволит астронавтам не только дышать, но и заправлять ракеты для возвращения на Землю. Учитывая то, что состав марсианского воздуха и атмосферы значительно отличается от земного, а транспортировка обойдется очень дорого, перечисленные способы получения O2 станут по – настоящему главным событием в освоении новых планет.
Бактерии для создания кислорода
А теперь подробно разберем способы добычи воздуха на Марсе.Одной очень интересной разработкой для получения O2 на Красной Планете занимается корпорация аэрокосмического развития Techshot. Ими было предположено, что кислород можно получать посредством бактерий, которые из углекислого газа способны поглощать нужный человеку газ. Была создана комната с имитацией атмосферы, дневного цикла и излучения на поверхности Марса, в которой с успехом была подтверждена упомянутая теория.
Данный способ производства кислорода имеет глобальное значение. Во – первых транспортировка таких бактерий требует меньших затрат и места. Во – вторых из — за относительных орбит Земли и Марса поставки запасов будут производиться только раз в 500 дней, что делает генерацию воздуха почти необходимой для колонизации Красной Планеты. В свою очередь можно предложить производство кислорода изо льда или воды. Однако водные ресурсы слишком ценные, чтобы отправлять их на выделение необходимого для дыхания газа.
Эксперимент Moxie
Основной задачей экспедиции является изучение пригодности Марса для жизни. С этой целью на 4 планету Солнечной Системы отправляется атомный марсоход Curiosity, которому нужно не только продержаться на Красной планете для ее исследования, но также, чтобы у астронавтов хватило кислорода на обратный путь. Решение нашел Массачусетский технологический институт MOXIE. Итогом их разработки должен стать топливный элемент, который посредством электролиза способен разделить CO2 монооксид углерода и кислород, которые впоследствии направляются в хранилища. На фоне остальных научных разработок MOXIE выделяется тем, что нацелены на практические испытания. В их планы входит создание на Марсе автоматизированного производственного цеха, который заранее сгенерирует кислород для прибывающих астронавтов.
Плазменная технология для производства кислорода
Ученые из Португалии предполагают, что Марс наиболее благоприятное место для проведения реакции разложения посредством неравновесной плазмы. Интервалы термобарических показателей в атмосферном поле Красной Планеты способны вызвать более ощутимые колебания, приводящие к ассиметричному растяжению молекул, чем на Земле. Именно это делает Марс более привлекательной планетой для проведения опыта. Помимо кислорода, продуктом плазменного разделения молекул может стать угарный газ, который будет использоваться в качестве ракетного топлива. Руководитель проекта, Васко Герра полагает, что для производство 8-16 кг воздуха понадобятся лишь 150-200 Вт в течение 4 часов каждые двадцати пяти часовые марсианские сутки.
