هل يحتاج المريخ إلى مجال مغناطيسي؟

نواصل نموذج التقييم "التطبيقية Terraforming". في العدد السابق ، قمنا بتقييم احتياطيات ثاني أكسيد الكربون المريخي ، والإمكانات البشرية لتحويله إلى الغلاف الجوي. سنتحدث اليوم عما إذا كان من المنطقي ملء الغلاف الجوي للمريخ في غياب مجال مغناطيسي.

يبرز موضوع المجال المغناطيسي في جميع المناقشات تقريبًا عندما يتعلق الأمر بتحويل كوكب المريخ إلى كوكب شبيه بالأرض. الكثير ، حتى من دروس التاريخ الطبيعي ، ومن خلال جهود العديد من الأفلام والمنشورات العلمية الشعبية ، حفظها بحزم كحقيقة: المجال المغناطيسي للأرض يحمينا من الإشعاع الشمسي ، والجو من تهب بواسطة الرياح الشمسية. علاوة على ذلك ، ينظر الكثيرون إلى هذا "النفخ" حرفيا - كعملية ميكانيكية لإزالة الغازات الجوية عن طريق تدفقات البلازما الشمسية.

يتم رسم المجال المغناطيسي للأرض ، في مثل هذه اللوحات ، على أنه حامي بطولي ، يقف مع درع على مسار التيارات الشريرة للرياح النارية التي ترسلها الشمس.



ومع ذلك ، توفر أبحاث الفضاء الحديثة المزيد والمزيد من الأسباب لمراجعة هذه الصورة في اتجاه تعقيد عمليات التفاعل للغلاف الشمسي والغلاف الأرضي. تشير المخططات الأكثر صدقًا بالفعل إلى أن الغلاف المغناطيسي لا ينقذ من تسرب الغلاف الجوي من القطبين ، بل يساهم في ذلك.



لنبدأ بالترتيب. تحتاج أولاً إلى فهم أسباب فقدان الغلاف الجوي للكواكب.

إن تبديد (تناثر) الأجواء في الفضاء له أصل حراري وغير حراري. هناك آليتان حراريتان: ما يسمى ب الجينز والهيدروديناميكية. الأول هو تسخين جزيئات الغلاف الجوي بواسطة ضوء الشمس. كما تعلمون ، درجة الحرارة هي كثافة حركة الذرات والجزيئات. إذا كان هناك العديد من الجيران حول جزيء ساخن ، فإنه ينقل طاقته الحركية إليهم ويبطئ. إذا لم تكن هناك جزيئات وذرات مجاورة ، ولم يتوقف تدفق الطاقة ، فعندئذٍ سوف يسخن الجزيء إلى هذه الحالة لدرجة أنه ، مثل سفينة الفضاء الحقيقية ، يترك الغلاف الجوي بسرعة كونية ثانية . هذا تقريبًا ما يحدث في الغلاف الجوي العلوي - ما يسمى ب الغلاف الحراري. وكلما كان الكوكب أقرب إلى الشمس ، كلما كان تأثير هذا العامل أقوى. ولكن هنا يعتمد الكثير على كتلة الكوكب. على سبيل المثال ، يترك الهيدروجين والهيليوم بسهولة حدود الغلاف الجوي لكوكب الزهرة ، ولكن جزيئات ثاني أكسيد الكربون الأكثر ضخامة يتم الاحتفاظ بها عن طريق الجاذبية القوية للكوكب. على الأرض ، بالمناسبة ، يحدث نفس الشيء ، فقط بكثافة أقل ، لكن 250 طنًا من الهيدروجين و 4 أطنان من الهيليوم ستقول لنا إلى الأبد وداعًا كل يوم.

عملية مماثلة لعملية حرارية هي عملية كيميائية ضوئية ، عندما تتفكك الجزيئات ، تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية ، إلى ذرات منفصلة ، على سبيل المثال ، يتم فصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، مما يساهم في هروب الهيدروجين.

كوكب المريخ أبعد من الشمس ، لذلك يتلقى الغلاف الجوي ضوءًا أقل ، لكن كتلة الكوكب أقل ، وبالتالي ، وفقًا لمصادر مختلفة ، يخسر يوميًا من 1 إلى 100 طن من الغلاف الجوي - بشكل رئيسي ثاني أكسيد الكربون.



لكننا نتذكر أن المريخ ليس له مجال مغناطيسي! دعنا نصل إليها ، ولكن في الوقت الحالي سننظر في طريقة حرارية أخرى لفقدان الغلاف الجوي - الهيدروستاتيكي.

إذا كان تسخين الغلاف الجوي للكوكب شديدًا جدًا ، وإذا كان هناك أي مصادر إضافية للحرارة أدناه ، فيمكن لجزيئات الغاز الأثقل أن تبتعد بتدفق جزيئات الضوء ، وتسخن وتكتسب نفس الكونية الثانية ، حتى لا تعود أبدًا إلى الكوكب. ربما لهذا السبب ، لا يملك القمر الصناعي النشط والبركاني الكافي للمشتري أيو جوًا كبيرًا - يتم تفجيره باستمرار من خلال الثورات البركانية القوية.



هناك طريقة أخرى للتخلص من الغلاف الجوي ، والذي يشبه جزئيًا التأثير الهيدروستاتيكي السابق. نعلم جميعًا كيف تبدو الانفجارات القوية - عمود من الدخان يتصاعد في السماء ، ويتحول إلى فطر. إذا كان الانفجار قويًا بما فيه الكفاية ، فإن هذا العمود سيرتفع إلى الفضاء ، حيث في جو خافت ، يمكن للجزيئات الساخنة أن تتسارع بما يكفي لتطير إلى الأبد. بالنسبة للكواكب ذات مجال الجاذبية القوي نسبيًا والجو الكثيف مثل الأرض والزهرة ، يمكن أن يكون هذا العامل غير مهم ، ولكن بالنسبة للمريخ ، يمكن أن تكون الخسائر أكثر أهمية ، ويبدو أنها حصلت على أكثر من الأرض - يوجد حزام كويكب قريب. هذا العامل ضد أولئك الذين يعرضون إسقاط كويكب أو مذنب أكبر على كوكب المريخ - ما زلنا بحاجة إلى حساب ما إذا كان سيتبقى أي شيء بعد الانفجار.



من الصعب تحديد مدى أهمية دور التأثير الكبير في فقدان الغلاف الجوي للمريخ بواسطة آلية التأثير. يمكنك إجراء تقديرات تقريبية فقط ، ولكن حتى التقديرات التقريبية التي لم ألتزم بها. ومع ذلك ، لا ينبغي للمرء أن ينسى أن المريخ عانى أكثر ، مثل القمر والأرض خلال القصف العنيف المتأخر ، منذ حوالي 3.8 مليار سنة. ولكن في تلك السنوات على كوكب المريخ ، كان لا يزال هناك جو كثيف ، لأنه تدفقت الأنهار.

نقطة مهمة: جميع العوامل المذكورة أعلاه ، لا يؤثر المجال المغناطيسي بأي شكل من الأشكال. لذلك ، تواجه الأرض ، في بضع مليارات من السنين ، مصير المريخ والزهرة - التطاير الكامل للهيدروجين ، أي تتحول إلى صحراء. يمكن أن يكون هناك إعلان عن صالون سبا أو منتجع على شاطئ البحر - استمتع بالمياه السائلة أثناء وجود مثل هذه الفرصة.



قد يصبح الغلاف الجوي أرق دون مغادرة الكوكب. يحدث هذا عندما تدخل الغازات الجوية في تفاعل كيميائي أو فيزيائي مع السطح. يمكن أن يرتبط الكربون والأكسجين بشكل فعال للتفاعل مع الصخور. يُعتقد أنه إذا قمت بإطلاق كل كربون الأرض ، الذي يرتبط الآن في رواسب الهيدروكربونات وصخور الكربونات ، فلن يكون الغلاف الجوي مختلفًا تمامًا عن الزهرة. لذلك ، يجب أن أقول بفضل ملايين السنين من تطور الكائنات الحية الدقيقة التي حولت أرضنا إلى حديقة مزهرة. يمكن إزالة الهيدروجين والأكسجين بشكل فعال من الغلاف الجوي عن طريق التحول إلى الماء وتكوين المحيطات أو الأنهار الجليدية ، وكلما ابتعدت الشمس أكثر كلما تحولت جميع أنواع الغازات إلى جليد.

الآن نعود إلى الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي. الرياح الشمسية هي تيار من الجسيمات المشحونة - الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا. تتميز الجسيمات بسرعات مختلفة وجزيئات بطيئة (300-500 كم / ثانية) تقول "رياح شمسية بطيئة" وسريعة (600-800 كم / ثانية) - "رياح شمسية سريعة" وحوالي سرعة عالية (900 كم / ثانية وأعلى) ) - "اشعاع شمسي". تشع الشمس أيضًا طنًا من "الإشعاعات" الأخرى: الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية والنيوترون وحتى غاما ، لكننا سنتحدث الآن عن واحدة ذات شحنة كهربائية وتتأثر بمجال مغناطيسي.

لذا ، تندفع الجسيمات الشمسية من الشمس نحو الأرض. على مسافة حوالي 10 أقطار نصف قطر ، يبدأ مجالنا المغناطيسي في التأثير عليهم وتحرفهم. وكلما انخفضت طاقة الجسيمات ، زادت كفاءة انحراف المجال المغناطيسي عنها. في موقع هذا الاجتماع ، تتشكل موجة صدمة. ونتيجة لذلك ، تنزلق بعض الجسيمات عبر الخطوط المغناطيسية ، ولكنها تنحرف لتطير إلى ما بعد الأرض ، ويمتص بعضها الغلاف الجوي ، لكن الغالبية العظمى تصطف على طول الخطوط المغناطيسية وتتدفق إلى تدفقات الحزم الحالية للجسيمات المشحونة حول الأرض ، والتي تسمى "أحزمة الإشعاع". مرحباً ، الكوكب محفوظ ، المجال المغناطيسي قام بعمله البطولي ... لكن ما هو؟ لماذا تحولت أقطابنا إلى اللون الأحمر والأخضر؟



الشفق القطبي هو مشهد رائع ، حتى تفكر في فيزياء العمليات التي تحدث هناك. ويحدث ما يلي: لا تكتفي الخطوط المغناطيسية بالتقاط الجزيئات الشمسية فحسب ، بل يتم أيضًا توجيه جزء منها إلى القطبين. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تسريع الجسيمات التي تم الوصول إليها حديثًا عن طريق المجال المغناطيسي وينهار في الغلاف الجوي للأرض. يطرقون الإلكترونات من الذرات والجزيئات المحايدة ، يصبحون مشحونين ويتوهجون بالسخط. تشكل الأيونات المشحونة مجالًا كهربائيًا يبدأ في العمل كمسرع ويسرع الأيونات (الجزيئات التي فقدت إلكترونًا) ، بحيث تكتسب سرعة كونية ثانية وتغادر الكوكب. هذه هي الطريقة التي تتم بها عملية التبديد الكهرومغناطيسي ، والتي من المفترض أن ينقذنا المجال المغناطيسي. هل تتذكر أن الهيدروجين والهيليوم يطيران بعيدًا عن الأرض؟ أضف الأكسجين هنا أيضًا ،وهو ثقيل جدًا بالنسبة للتبديد الحراري ، ولا يطير بعيدًا عن الأرض إلا بسبب المجال المغناطيسي "الجيد" و "المهتم". حجم فقدان الأكسجين من كل ليلة جميلة في المنطقة القطبية غير معروف حتى الآن ، ولكن الحقيقة نفسها بالفعلأثبتت ذلك من قبل الأقمار الصناعية الكتلة.



ماذا سيحدث إذا تعرض كوكب بدون مجال مغناطيسي لتأثير الرياح الشمسية؟ سيكون كل شيء أكثر إثارة هنا - ستقترب الجزيئات الشمسية من الكوكب بحرية على مسافة قطرها ونصف قطرها ، وستبدأ في قصف الطبقات العليا من الغلاف الجوي. ستبدأ جزيئات الغاز بفقدان الإلكترونات والحصول على شحنة و ... صد تيارات الرياح الشمسية بنفس الشحنة. أولئك. هنا أيضًا ، ستتشكل موجة صدمة ، كما هو الحال مع المجال المغناطيسي ، والذي لن يسمح بتقارب الجزء الأكبر من الجسيمات الشمسية. بفضل هذا التأثير ، لم تفقد الزهرة غلافها الجوي الكثيف بشكل لا يصدق ، كونها أقرب بكثير من الشمس من الأرض أو المريخ.



حتى الآن ، لا يستطيع العلماء أن يقولوا مدى أهمية مساهمة التبديد الكهرومغناطيسي في تدهور الغلاف الجوي للمريخ. للإجابة على هذا السؤال ، تم إرسال القمر الصناعي MAVEN إلى المريخ. في غضون ذلك ، تُعرف عدة حقائق عن فقدان الغلاف الجوي للمريخ:

• الآن يُفقد أقل من طن واحد من الغلاف الجوي يوميًا - اكتشفت المركبة الفضائية مارس إكسبريس ، ولكن تم إجراء القياسات عند الحد الأدنى من الطاقة الشمسية ؛
• من تكوين الكوكب إلى اليوم ، فقد المريخ الكثير من الهيدروجين من الغلاف الجوي الذي يمكن احتواؤه في محيط بعمق 110 مترًا ، يغطي الكوكب بأكمله - تعلم علماء الفلك في المرصد الجنوبي الأوروبي ذلك عن طريق تحليل التغير في نسبة نظائر الهيدروجين الخفيفة والثقيلة في الغلاف الجوي للمريخ ؛
• , 25
• 100 Mars Express — , . , 100 3,5 , 10 .
• , , , 3 , , 30 .

اتضح أن العلماء اليوم يخمنون فقط حول الآليات التي أدت إلى فقدان 1/3 من الغلاف الجوي الكامل للمريخ ، ولا يعرفون أي مكان آخر حدث 2/3. ومن غير المعروف عدد آليات تبديد هذه الخسارة الكهرومغناطيسية (الرياح الشمسية) ، الهيدروستاتيكية (الانفجارات القوية للبراكين الخارقة) وتأثير (سقوط الكويكبات). في الوقت نفسه ، تجري الآن دراسة مساهمة الرياح الشمسية في استنفاد الغلاف الجوي ، وفي السنوات القادمة ستكون هناك إجابة أكثر تحديداً لهذا السؤال ، ويمكن استبعاد البراكين والكويكبات من العوامل الأساسية لتدهور المريخ في الغلاف الجوي.

لتلخيص: يوضح مثال الزهرة أن الرياح الشمسية ليست عاملاً حاسماً في تطاير الغلاف الجوي. بالنسبة للمريخ ، يكون تأثيره أقل كثافة بحوالي أربع مرات. بعض العوامل التي يمكن أن تؤدي إلى فقدان الغلاف الجوي للمريخ في الماضي ليست كبيرة اليوم: سقوط الكويكب والانفجارات البركانية القوية. الإشعاع الحراري للشمس ، بسبب الموقع البعيد للمريخ ، ليس أيضًا عاملاً حاسمًا في التبديد ، على الأقل الآن أنه لا يوجد عمليا ضوء الهيدروجين والهيليوم في الغلاف الجوي. لذلك ، كل ما علينا فعله لتحويل المريخ إلى حديقة مزهرة هو انتظار نتائج القمر الصناعي MAVEN والعثور على عدة مليارات من exajoules من الطاقة لملء جو المريخ بطريقة سحرية بغاز غير معروف.وما السحر الذي يمكن تطبيقه هنا سنتحدث في العدد القادم من "Terra Terraforming". لا تقم بالتبديل.

Source: https://habr.com/ru/post/ar384695/