مناخ المريخ: العودة إلى المستقبل

في مكان ما في مدار المريخ بعد 50 مليون سنة.

حتى وقت قريب ، كان مناخ كواكب النظام الشمسي يُعد دون تغيير تقريبًا: في عام 1920 فقط اقترح ميلوتين ميلانكوفيتش فكرة أن التغييرات في غرابة المدار ، وميل محور دوران الأرض وتسبب ميله إلى حدوث مجموعة من التغيرات المناخية الدورية (في الواقع ، كانت هناك افتراضات مماثلة قبله ، لكن نقص البيانات لم يسمح بصياغة هذه القاعدة بشكل صحيح في وقت سابق). سمي هذا الانتظام تكريما لمؤلفه - دورات ميلانكوفيتش . في عام 1950 ، اقترح Dirk Brauer و Adrianus Van Voerkam أن غرابة مدار المريخ تتغير أيضًا بمرور الوقت ، مما يؤدي إلى تغيرات في مناخها. ولكن في ذلك الوقت كان من المستحيل تأكيد أو دحض - حتى رحلة المريخ ، بقي المسبار الأرضي الأول مارينر -4 15 سنة أخرى.

بفضل صديقي العزيز Dilyara Sadrieva ، يمكنك مشاهدة هذه المقالة بتنسيق فيديو.

ومع ذلك ، فحتى مهمات الرحلة الأولى نقلت صورًا ذات جودة منخفضة جدًا بحيث لا تفتح حجاب السرية في هذه المسألة. لكن Mariner-9 بالفعل (الذي كان أول من يدخل مدار المريخ بين مجسات الأرض وعمل عليه من 14 نوفمبر 1971 إلى 27 أكتوبر 1972) تمكن من نقل أكثر من 7 آلاف صورة ذات جودة لائقة مع دقة 100-1000 متر لكل بكسل. بالنسبة لمحبي Aelita Alexei Tolstoy و War of the Worlds لـ Herbert Wells ، فإن الأخبار كانت مخيبة للآمال: فالقنوات التي اكتشفها جيوفاني Schiaparelli على المريخ تحولت إلى مجرد وهم بصري ، وظهرت Mars نفسها للإنسانية باعتبارها صحراء بلا حياة. تراوحت الفروق في درجات الحرارة على الكوكب من -143 درجة مئوية في القطبين في الشتاء إلى + 35 درجة مئوية في يوم مشمس عند خط الاستواء في فصل الصيف ، وكان الضغط الجوي على معظم الكوكب منخفضًا لدرجة أن الجليد المائي تحول إلى بخار وعكس بالعكس المرحلة السائلة.


الآثار الأولى لعدم تناسق المناخ المريخ الذي تم الحصول عليه بواسطة Mariner-9: إن الهيكل الطبقي للأغطية القطبية المرئية بوضوح من الركن الأيمن العلوي من الصورة إلى منتصف الجزء السفلي منها مرئي بوضوح في الصورة.

ومع ذلك ، كانت هناك أخبار سارة: تمكن الجهاز من التقاط أكثر من 70 ٪ من سطح المريخ ، بما في ذلك القبعات القطبية. لم يلاحظ أي فوهات عليها تقريبًا ، مما يدل على صغر سنها (قدّر بـ 20 مليون عام). وأيضًا في كل مكان ، بدءًا من خط العرض 80 وحتى القطبين ، تم إصلاح بنية ذات طبقات - وهذا يعني أن القبعات القطبية للمريخ لم تكن فقط تكوينات صغيرة جدًا ، ولكن تم تغييرها أيضًا بشكل دوري خلال هذه الفترة. بدأت نظرية تقلب مناخ المريخ في التأكيد.



أعطت عمليات المحاكاة الأولى تغييرات غريب الأطوار في حدود 0.004-0.141 ، والتي تزامنت تقريبا مع التقديرات الحديثة 0-0.16. تقدر القيمة الحالية للغرابة في المريخ بـ 0.0934 - لا تزال قيمة كبيرة جدًا مقارنةً بـ 0.0167 للأرض وتحتل المرتبة الثانية بعد عطارد. بناءً على ملاحظات تايكو براي عن حركة المريخ ، استطاع يوهانس كيبلر أن يستنتج أن مدارات الكواكب اهليلجية وليست دائرية ، مما سمح له لاحقًا بوضع قوانينه الثلاثة الشهيرة .

تم تحديد تغيُّر الغرابة بشكل صحيح أيضًا بفترتين تبلغ كل منهما 95 ألفًا ومليوني عام (على الرغم من الصعوبات في قياس معدل ترسب الصخور في القبعات القطبية للمريخ ، فقد قدرت الأخطاء بحوالي أمرين ). ولكن تم تقدير التغييرات في الميل المداري بشكل غير صحيح: بسبب التقليل من تأثير precession على هذه المعلمة ، أعطت الحسابات الأولى للباحثين فقط 15-35 درجة بدلا من 0-80 درجة الحديثة.


الرسوم المتحركة من precession من محور دوران الأرض. في المريخ ، يحدث في الاتجاه المعاكس.

على الرغم من أن المريخ يزن حوالي 10 أضعاف وزن الأرض ، إلا أن دوراته تستغرق وقتًا أطول بكثير. بالنسبة للأرض ، تستغرق دورة precession 25800 عامًا ، أما بالنسبة إلى المريخ فهي تصل إلى 56600 عامًا (معدل precession هو 50.3 ثانية قوسية للأرض و 8.26 ثانية قوسية للمريخ ، على التوالي). يبلغ محور ميل الأرض 41 ألف عام ، والمريخ لديه 124 ألف. تؤدي مقدمة محور الدوران للكوكب إلى تأثيرات مثيرة: التغيير التدريجي في محور دوران الكوكب المرتبط به يؤدي إلى حقيقة أن عنوان نجم "قطبي" يمر بمرور الوقت من واحد إلى آخر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بداية الفصول "تنجرف" تدريجياً: على الأرض ، تتحول إلى يوم واحد كل 70.5 عامًا ، وعلى سطح المريخ ، فإنها تتحول يومًا واحدًا للأمام كل 83.3 عامًا. يتغير معدل التغيير في هذه الحالة تقريبًا بسبب حقيقة أن سنة المريخ نفسها أطول 1.8 مرة من الأرض.


تطور الغطاء القطبي الجنوبي من صور Mars Global Surveyor .

بسبب الغرابة العالية في مدار المريخ ، الذي يتزامن مع الأوج (النقطة الخارجية للمدار) مع الشتاء في نصف الكرة الجنوبي ، يكون المناخ في نصف الكرة الجنوبي أكثر حدة ، والغطاء القطبي الجنوبي أكبر بكثير من المحيط الشمالي. من بين الميزات الأخرى المثيرة للاهتمام: طول اليوم على سطح المريخ أطول بـ 37.4 دقيقة من طول الأرض ، ولكن سيتم تقليل الفاصل ، حيث يحدث تباطؤ دوران المريخ بسرعة أقل بمقدار 3 أمثال من مساحة الأرض ، والتي ترتبط مع كتلة صغيرة من أقمار المريخ مقارنةً مع قمرنا.

1001 محاكاة للتغيرات في ميل محور دوران المريخ.

في عام 1989 ، وجدت Lascar أن معلمات الكواكب الأرضية تتغير بشكل عشوائي (ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى تأثير الكويكبات المتحركة بشكل عشوائي فيست وسيريس ، والتي تتأثر بأشياء من حزام الكويكبات). يؤدي ذلك إلى حقيقة أنه من المستحيل تحديد التغييرات بدقة في ميل محور وغرابة المريخ لمدة تزيد عن 10 ملايين سنة (وتسمى هذه الفترة زمن لابونوف ) ، ويصبح من المستحيل تحديد التوزيع الإحصائي لقيمهم بدقة أو أكثر بدقة. للأرض ، هذه الفواصل هي 50 و 250 مليون سنة ، على التوالي). ولكن لفترات خلال 10 ملايين سنة ، يمكن تحديد خصائص مدارات جميع كواكب المجموعة الشمسية بدقة عالية.

كما أسفرت الدراسات التي أجريت على هذه المؤشرات الخاصة بالكواكب الأخرى عن نتائج مهمة للغاية : على الرغم من أن معلمات مدارات الكواكب العملاقة لا تتغير عملياً ، فإن غرائبها تتقلب في المريخ وعطارد على مدى واسع جدًا. وبالنسبة إلى عطارد ، فقد كانت كبيرة جدًا لدرجة أنها يمكن أن تؤدي إلى فترات من مليارات السنين إلى حقيقة أنه يمكن إخراجها من النظام الشمسي عندما تقترب من كوكب الزهرة (كان هذا الاحتمال في الماضي ويبقى في المستقبل). يمكن أن يسمح لنا أيضًا بإلقاء نظرة مختلفة على مفارقة Fermi (مشكلة عدم العثور على آثار للحياة من النجوم الأخرى) ، لأنه بالنسبة لأصل الحياة على الكوكب ، يتضح أنه لا يحتاج فقط للتكوين في المنطقة الصالحة لنجمه ، ولكن في نفس الوقت أيضا في حالة شبه مستقرة مع الكواكب الأخرى حتى لا تسقط منه.



لكن العودة إلى المريخ. وفقًا للتقديرات ، كان الضغط الأولي للمريخ يزيد بمقدار 6 أضعاف عن الضغط الحالي للأرض الحالية ، ولكن نتيجة القصف العنيف الذي تعرضت له الكويكبات والمذنبات (والذي حدث منذ 3.8 مليار سنة) ، فقد المريخ معظمه ، وحافظ على ضغط يبلغ 0.5 - 1 الغلاف الجوي للأرض (500- 1000 ملي بار ). لكننا نلاحظ الآن ضغطًا متوسطًا عند سطح المريخ يبلغ 6 ميغا فقط - إلى أين ذهب الباقي؟ حتى وقت قريب ، كان السبب الرئيسي لفقدان الغلاف الجوي للمريخ هو اختفاء مجال مغناطيسي فيه ، وبالتالي توقف عن إعاقة "نفخ" الغلاف الجوي تحت تأثير الرياح الشمسية.

ولكن كما أظهرت دراسات أخرى ، فإن عدم وجود مجال مغناطيسي ، على العكس من ذلك ، يؤدي إلى إبطاء معدل هروبه: فقد بلغ متوسط ​​الخسارة الجوية التي قاسها القمر الصناعي MAVEN خلال أول سنتين من تشغيله 2193 طنًا في السنة. حتى لو أخذنا في الاعتبار أن هذه القياسات أجريت على انخفاض في نشاط الشمس ، وأن متوسط ​​القيمة سيكون أعلى عدة مرات ، فإن هذا لا يزال غير كافٍ: التقديرات السابقة للعلماء ، بناءً على مستوى خسائر 568 طن سنويًا في الحد الأدنى للطاقة الشمسية في العصر الحديث ، أعطت عامًا فقدان ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي بمقدار 0.8-43 مليون بار على مدى 3.5 مليار سنة سابقة. بمعنى ، استنباط تقديراتهم للبيانات التي حصلت عليها MAVEN (والتي تبين أنها أعلى بمقدار 3.86 مرات) ، حصلنا على تسرب قدره 31-166 mbar لهذه الفترة ، مقابل الحد الأدنى المفقود البالغ 500 mbar.


تغير في الضغط الجوي على مدار المريخ. يرجع الاختلاف في الشهادة إلى حقيقة أن جهاز Viking-2 يقع على بعد 900 متر أقل من متوسط ​​مستوى سطح المريخ من نظيره Viking-1.

ما المشتبه بهم الآخرين هناك؟ وجدت منصات الهبوط الفايكينغ أن تربة المريخ تحتوي على نسبة كبيرة من طين المونتوموريلايت ، والتي يمكن أن تمتص كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون من الجو. لذلك بالإضافة إلى 4-5 mbar التي تتجول من قطب إلى قطب في أغطية قطبية (وفقًا لأحدث البيانات ، قد يكون هناك ما يصل إلى 85 mbar هناك ) و 6 mbar في الغلاف الجوي ، من المفترض أن تمتص حوالي 300 mbar من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتم امتصاص 130 تحولت مبار إلى كربونات في ذلك. تختلف تقديرات إجمالي احتياطيات ثاني أكسيد الكربون الحالية على المريخ من قِبل العديد من العلماء في نطاق واسع إلى حد ما: من 200 إلى -450 mbar . لكن قبل ذلك ، تذبذبوا في حدود 200-10000 mbar .

كان سبب هذا الانتثار هو معرفتنا الضعيفة بالهيكل الداخلي للكوكب الأحمر. والآن ، على الرغم من أننا درسنا جيدًا القبعات القطبية للمريخ ، وكذلك الطبقات السطحية للمريخ على كامل مساحتها على عمق بضعة أمتار ، فإن معرفتنا بهيكلها الداخلي تترك الكثير مما هو مرغوب فيه ، ولهذا السبب لا يزال مبعثر التقديرات كبيرًا. يجب أن تفتح منصة الهبوط InSight ، التي هبطت على سطح المريخ في 26 نوفمبر ، الستار على هذه المسألة. على متن الطائرة ، يعد جهاز InSight مقياسًا لقياس الزلازل الحساسًا وحفرًا قابل للطي بطول 5 أمتار (في هذه الحالة ، لن نقوم بإجراء تحليل كيميائي للتربة ، ولكن أيضًا قياس الخواص الفيزيائية للتربة في هذه الأعماق ستكون خطوة كبيرة إلى الأمام بالنسبة لنا).



"كيف يؤثر كل هذا على مناخ المريخ؟" - قد تسأل. النقطة هنا هي أن الغرابة تعتمد على مدى اقتراب الكوكب من الشمس ومقدار الوقت الذي يقضيه في كل ثورة في هذا الموقف. وبالتالي ، تؤثر الغرابة على مناخ الكوكب ككل ، ويؤثر ميل المحور على توزيعه العرضي: عندما يصل محور ميل الكوكب إلى قيمة 54 درجة ، تبدأ أقطاب الكوكب في الحصول على نفس كمية أشعة الشمس مثل خط الاستواء. ومع زيادة إضافية في المنحدر - أكثر من ذلك. وبالتالي ، يصبح المناخ في القطبين أكثر دفئًا من خط الاستواء ، الأمر الذي يؤدي بدوره إلى ذوبان الطبقة العليا من القبعات القطبية التي تتكون من "الثلج الجاف" (ثاني أكسيد الكربون المجمد). وبما أن غاز ثاني أكسيد الكربون هو أحد غازات الدفيئة ، فإن إطلاقه يسبب الاحترار في جميع أنحاء الكوكب ككل.


رسم بياني لذروة درجات الحرارة السنوية في مناطق القبعات القطبية وفقًا لدراسة أجريت عام 2012. يتم تسليط الضوء على أعلى درجات الحرارة باللون الأسود ، ومتوسط ​​اللون الأحمر والأصفر ، والأدنى باللون الأبيض (يشار إلى الحالة الحالية للمريخ بواسطة المعين). يشير المستطيل الأزرق إلى الفاصل الزمني للتغيرات في بارامترات الغرابة والميل للأرض.

بالنسبة لمجموعة كاملة من العوامل ، فإن المعلمات المثلى لتسخين المريخ هي القيمة المتوسطة للغرابة (0،06-0،08) وتزامن الحضيض في المدار مع الاعتدال (0 ° أو 360 °) ، ولكن بشكل عام ، هذه المعايير لها تأثير أقل بكثير على المناخ. القيم الحالية للمريخ هي 25.19 درجة من الميل المحور ، غريب الأطوار هو 0.0934 و perihelion هو 286.502 درجة. تتحرك غريب الأطوار في مدار المريخ الآن إلى ذروتها عند 0.105 (والتي يجب أن تصل إلى بعد 24 ألف سنة) ، وبعد ذلك سوف تعود إلى معدل 0.002 (الذي سيصل بعد 100 ألف سنة). لسوء الحظ ، فإن ميل المريخ هو الآن في مرحلته الهادئة ، بالقرب من الحد الأدنى من دورة مليوني سنة ، وفي المستقبل القريب لا تخطط للارتفاع فوق 36 درجة. لذلك المريخ في المستقبل المنظور بالنسبة لنا يجب أن تظل صحراء لا نهاية لها.


الزوبعة الرملية التي استولت عليها روفر سبيريت في 15 مايو 2005. يعرض Gif عملية حركة الدوامة في 9.5 دقائق (الفاصل الزمني بين الإطارات حوالي نصف دقيقة).

ومع ذلك ، هذا لا يعني أن مناخ المريخ لن يتغير في المستقبل القريب. بتعبير أدق ، إنه يتغير الآن: من وقت تلقيه أحدث المعلومات من الفايكنج في عام 1977 إلى الوقت الذي تلقى فيه البيانات الأولى من مسبار المريخ العالمي للمسح في عام 1999 ، ارتفعت درجة حرارة سطح المريخ بمقدار 0.86 درجة مئوية. لا ترتبط هذه العملية ارتباطًا مباشرًا بالظواهر الموضحة أعلاه - فقد وجد العلماء تفسيراً لها في التغير في البياض المريخ (درجة الانعكاس لسطحه) ، والتي تغيرت ، كما اتضح على مدار الـ 22 عامًا الماضية ، بأكثر من 10٪ صعودًا أو هبوطًا على ثلث سطح المريخ.

لا يتنبأ هذا التغيير بجعل عملية تغيير شكل سطح المريخ أبسط بكثير ، لأنه وفقًا للتقديرات الأولية للعلماء ، فإنه يحتاج إلى رفع درجة حرارة السطح بمقدار 25 درجة مئوية - وإلا ، فبعد إزالة التأثير الخارجي ، ستعود المريخ إلى حالتها الباردة الأصلية. من المرجح أن يكون التغيير في البياض المريخ نفسه مرتبطًا بالعواصف الترابية ، وكما يتضح من الصور ، فإن الغطاء القطبي الجنوبي (الذي تشكل خلال فترة العام عندما تحدث عاصفة ترابية عالمية على المريخ) يصبح أكثر "قذرة" من العاصفة الشمالية.



الآن هذه البيانات مبنية على نقطتين فقط من الوقت ومن السابق لأوانه الحديث عن أي أنماط. ومع ذلك ، تشير دراسات دورات التغيرات في الغرابة والميل أيضًا إلى أن ظاهرة الاحتباس الحراري تحدث على كوكب المريخ في الوقت الحالي ، ولكنها تحدث بمعدل أقل كثيرًا:


الخط الأزرق هو درجة الحرارة التي يبدأ فيها الجليد في الذوبان في حفرة الحفرة ، التي تقع على بعد 5 درجات جنوب خط الاستواء (تم الحصول عليها من الفضول ).

ما الذي يمكن أن يعطينا هذه القمة الصغيرة على الرسم البياني ، والتي نتحرك إليها الآن؟ عموما ، قليلا جدا. مع زيادة متوسط ​​درجة الحرارة على سطح المريخ ، يجب أن يحدث الاحترار العالمي أيضًا ، كما هو الحال على الأرض: عند الضغط الجوي البالغ 6.1 mbar ودرجة حرارة 158 درجة مئوية ، يمكن امتصاص ما يصل إلى 11 سم مكعب من ثاني أكسيد الكربون لكل غرام من التربة في تربة المريخ. عند 196 درجة مئوية ، يحدث التشبع بالفعل عند 3.5 سم مكعب لكل جرام. وبالتالي ، فإن تسخين التربة سوف يسبب إطلاق غازات الدفيئة المتراكمة فيه. ومع ذلك ، بشكل عام ، من هذه الزيادة الصغيرة في متوسط ​​درجة الحرارة ، سيكون التأثير نفسه ضئيلاً. بالإضافة إلى ذلك ، بسبب التوصيل الحراري المحدود للتربة ، لا يحدث تسخينها على الفور ، ولكن بسرعة حوالي 1 متر في السنة ، بحيث لا يكون لهذه القمم الضيقة وقت لتدفئة المريخ إلى عمق كبير وتسبب إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون.


تعليق الغبار في جو المريخ يجعل سماءها عكس الأرض.

بالإضافة إلى إطلاق الغازات من الأرض ، من الممكن حدوث تأثير آخر للاحتباس الحراري: مع زيادة كبيرة في الضغط الجوي ، يجب أن تتلاشى عواصف الغبار العالمية الشهيرة على سطح المريخ ، وفقًا للعلماء . كما ينبغي أن يزيد متوسط ​​درجة الحرارة على هذا الكوكب ، حيث يمكن لهذه العواصف أن تغطي الكوكب بأكمله لفترة تمتد من عدة أشهر إلى ستة أشهر ، مما يعكس جزءًا من الضوء إلى الفضاء. ولكن ربما تكون النتيجة الأكثر أهمية لذلك ، وفقًا لدراسة حديثة أخرى ، أن هذه العواصف مصدر لكلورات فوق المريخ ، والتي تكون بتركيزات عالية سامة للإنسان ومعظم أشكال الحياة على الأرض (بما في ذلك النباتات). وبالتالي ، يمكن أن يؤدي الاحترار المناخي على الكوكب الأحمر بشكل مباشر إلى زيادة خصوبة تربته. ومع ذلك ، فإن هذا التأثير يتطلب زيادة في درجة الحرارة بدرجة أكبر بكثير مما سيتم تحقيقه في الدورة الحالية لزيادة درجة الحرارة ، لذلك من المرجح أن يتم مناقشتها في سياق عملية تغيير مسار المريخ ، والتي سيتم مناقشتها في مقال آخر.



في نهاية المقال ، أود أن أدعو جميع المهتمين باستكشاف المريخ واستعمارهم وتسخيرهم للاشتراك في مجموعة مجتمع المريخ على Facebook و VKontakte ، بالإضافة إلى الانضمام إلى صفوفنا أو أن أصبحوا منسقين لمجتمع المريخ في المناطق لتقديم مساهمتهم في عملية تحويل "الكوكب الأحمر" "باللون الأزرق والأخضر. للقيام بذلك ، يمكنك الاتصال بي أو أليكسي .