Кирилл Кондратьев - «Викинги» на Марсе
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.
3. Изаков М. Н. Структура и динамика верхних атмосфер Венеры и Марса. — «Успехи физ. наук», 1976, т. 119, № 2, с. 295–342.
4. Изаков М. Н., Морозов С. К. Структура и динамика экваториальной термосферы Марса. — «Космич. исслед.», 1976 т. 14, вып. 3, с. 476–478.
5. Истомин В. Г. и др. Эксперимент по измерению состава атмосферы на спускаемом аппарате космической станции «Марс-6». — «Космич. исслед.», 1975, т. 13, № 1, с. 16–20.
