عندما يحل الصيف في نصف الكرة الجنوبي من المريخ ، تفتح "نافذة" في الغلاف الجوي يمكن من خلالها بخار الماء أن يرتفع من الطبقات السفلى من قذيفة غاز الكوكب إلى الأعلى.
تحمل الرياح معظم بخار الماء هذا إلى القطب الشمالي للمريخ ، حيث تستقر على السطح في شكل جليد ، ومع ذلك ، لا تزال كمية معينة من بخار الماء تتحلل وتختفي في الفضاء الخارجي ، مما يحرم الكوكب الأحمر تدريجياً من احتياطيات المياه.
مجموعة من العلماء (ديمتري شابوشنيكوف وألكسندر ميدفيديف وألكساندر رودان وبول هارتوغ) من معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا (معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا ، روسيا) ، ومعهد أبحاث الفضاء التابع للأكاديمية الروسية للعلوم (روسيا) ومعهد أبحاث النظام الشمسي. وصف ماكس بلانك (ألمانيا) هذه الدورة المريخية غير العادية وإطلاق جزء من بخار الماء في الفضاء في دراستها ، التي قدمت في مجلة
Geophysical Research Letters .
وفقًا للعلماء ، منذ ملايين السنين ، كان المريخ غنيًا بالمحيطات والبحار ومصادر المياه الأخرى. ومع ذلك ، خلال كل هذا الوقت الطويل ، عملت "مضخة" طبيعية غريبة في الجو العلوي للمريخ ، بمساعدة الكوكب الأحمر الذي تم تجفيفه. حتى الآن ، يتم ترك حوالي 20 ٪ من الكمية الأصلية من الماء على سطح الكوكب.
في دراستهم ، أعاد العلماء إنشاء نموذج لعملية فقدان المياه بواسطة المريخ وقرروا أن هذه الآلية لا تزال مستمرة في العمل ، ووظائفها مماثلة للمضخة. تُظهر نمذجة الحاسوب لهذه الآلية كيف يتغلب بخار الماء على حاجز الهواء البارد في الجو المتوسط للمريخ ويصل إلى طبقات أعلى. هذا ، وفقًا لمؤلفي العمل العلمي ، سيساعد على فهم سبب فقد المريخ ، على عكس الأرض ، معظم مياهه.
ملخص الدراسةمنذ ملايين السنين ، كان المريخ كوكبًا ذو سطح مائي شاسع ، وتدفقت الأنهار عليه ، وحتى المحيطات كانت مستعرة. ولكن مرور الوقت ، والآلية الطبيعية على هذا الكوكب خفضت ببطء احتياطيات المياه ، وتغيير سطح المريخ إلى حد كبير لا يمكن التعرف عليها.
اليوم ، على سطح المريخ ، يمكنك العثور على مناطق قليلة جدًا بها مياه مجمدة ، وفي بخار الماء يوجد فقط بكميات ضئيلة. وبالتالي ، ربما يكون المريخ قد فقد ما لا يقل عن 80 في المائة من إمداداته المائية.
والسبب وراء هذا فقدان المياه العالمي ، ولكن أيضًا على المدى الطويل هو أنه في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للمريخ ، يقوم الأشعة فوق البنفسجية الشمسية بتحطيم جزيئات الماء إلى هيدروجين (H) وجذور الهيدروكسيل (OH). وبالفعل بعد هذه العملية ، يحدث تطاير غير قابل للاسترجاع للهيدروجين في الفضاء الخارجي.
تظهر القياسات التي تستخدم مجسات علمية في مدار المريخ والتلسكوبات الفضائية أنه حتى الوقت الحاضر ، لا يزال بخار الماء على سطح المريخ ينفصل ويترك الكوكب بهذه الطريقة.
ولكن كيف ولماذا كان هذا ممكنًا؟في الواقع ، يجب على الطبقة الوسطى من الغلاف الجوي للمريخ ، قياسًا على حالة التروبوبوز على الأرض ، أن تمنع عملياً مثل هذا الهرب من الهيدروجين ، لأنه في ذروة هذه الطبقة يكون عادةً باردًا بالفعل بحيث يتحول بخار الماء إلى جليد.
للحصول على إجابة على هذا السؤال ، أجرى الباحثون الروس والألمان محاكاة كشفت عن وجود آلية غير معروفة سابقًا تشبه المضخة.
في محاكاةهم ، يتم وصف التدفقات في الغلاف الجوي بالكامل حول المريخ بشكل شامل: من سطح الكوكب إلى الطبقات على ارتفاع 160 كيلومترًا.
تظهر الحسابات أن الطبقة الوسطى الجليدية من قشرة الغاز تصبح قابلة للاختراق لبخار الماء مرتين في اليوم ، ولكن في مكان معين فقط على الكوكب وفي وقت معين من السنة (عند نقطة معينة في المدار).
يلعب مدار المريخ دورًا حاسمًا في هذه العملية: مسار الكوكب المحيط بالشمس ، والذي يستمر نحو عامين على كوكب الأرض ، هو أكثر بيضاويًا من مسار الأرض.
عند النقطة الأقرب إلى الشمس (تتزامن تقريبًا مع الصيف في نصف الكرة الجنوبي) ، المريخ أقرب ما يقرب من 42 مليون كيلومتر منه في أبعد نقطة في المدار ، لذلك الصيف في نصف الكرة الجنوبي أكثر دفئًا بشكل ملحوظ من الشمال.
عندما يأتي الصيف في نصف الكرة الجنوبي من المريخ ، يمكن أن يرتفع بخار الماء محليًا في أوقات معينة من اليوم مع وجود كتل هوائية أكثر دفئًا ويصل إلى الغلاف الجوي العلوي.
هناك ، تحمل التيارات الهوائية الغاز إلى القطب الشمالي ، حيث يبرد ويستقر مرة أخرى. ومع ذلك ، يتم استبعاد جزء من بخار الماء من هذه الدورة: تحت تأثير الإشعاع الشمسي ، تتحلل جزيئات الماء ، ويهرب الهيدروجين إلى الفضاء.
يتم تعزيز هذه الدورة الهيدرولوجية غير العادية من خلال ميزة أخرى للمريخ - العواصف الترابية الضخمة التي تمتد على كامل المريخ مع فاصل زمني لعدة سنوات.
تسهل كمية هائلة من الغبار الذي يدور في الجو خلال هذه العاصفة نقل بخار الماء إلى الغلاف الجوي العلوي.
آخر مرة وقعت فيها مثل هذه العواصف الترابية على المريخ في عامي 2007 و 2018 ، تم توثيقها أيضًا بشكل شامل من خلال تحقيقات مدارية.
يقدر العلماء أنه خلال العاصفة الترابية لعام 2007 ، تم إطلاق بخار الماء في الغلاف الجوي العلوي للمريخ بمقدار ضعف ما يحدث في أوقات الهدوء لكوكب الأرض.
نظرًا لامتصاص جزيئات الغبار لأشعة الشمس وبالتالي تسخينها ، ترتفع درجة حرارة الغلاف الجوي على المريخ.
تلقى من قبل العلماء من MIPT والمعهد. يوضح نموذج Max Planck بدقة غير مسبوقة كيف يؤثر الغبار في الغلاف الجوي على العمليات الميكروفيزيائية المرتبطة بتحويل الجليد إلى بخار ماء.
الرسوم البيانية وتطبيقات العمل البحثي:الشكل 1. تدفق البخار الرأسي
الشكل 1. التباينات الموسمية في خط العرض للتيار العمودي المتوسط لبخار الماء ، على غرار باستخدام بيانات متوسط على كمية الغبار في الغلاف الجوي على ارتفاعات مختلفة: 0 ، 30 ، 60 ، 90 ، 120 ، و 150 كم. تظهر القيم الإيجابية (التدفقات الصعودية) باللون الأحمر ، وتظهر التدفقات السلبية (التنازلي) باللون الأزرق.
وبالتالي ، سنهتم بالبيانات بشكل رئيسي في الفاصل الزمني بين Ls = 250◦ و 270◦.
الهروب من ذرات الهيدروجين في الفضاء بالقرب من exobase يختلف حسب ترتيب
حجم موسميا ، تعظيم حول الانقلاب الصيفي الجنوبي (خط الطول الشمسي Ls ≈
270◦)التسميات في الشكل 1 والأرقام أدناه:
ppmv (أجزاء لكل مليون من حيث الحجم) هي وحدة تركيز في أجزاء لكل مليون من حيث الحجم ؛
بخار الماء - بخار الماء.
الارتفاع - الارتفاع
خط العرض - خط العرض ؛
Ls هو خط الطول الشمسي ؛
MY28 - سنة المريخ 28 (القياسات خلال عام المريخ الثامن والعشرين) ؛
سيناريو الغبار الأساسي (متوسط البيانات حول كمية الغبار في الغلاف الجوي (استنادًا إلى بيانات من مسبار MAVEN Mars (المريخ في الغلاف الجوي والتطور المتطاير) ، ومرصد هابل الأوتوماتيكي ، وساتل Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - من الجهاز Mars Climate Sounder (MCS) ، أداة PFS - MEX (مطياف الكواكب فورييه على متن Mars Express) ، Mars Global Surveyor) ؛
عاصفة ترابية (عاصفة ترابية) - استخدمت بيانات عن كمية الغبار في الجو في العاصفة الترابية MY28.
الشكل 2. تركيز ودرجة حرارة بخار الماء
الشكل 2. تركيز ودرجة حرارة بخار الماء في الطول والعرض ، على غرار باستخدام بيانات متوسط على مقدار الغبار في الغلاف الجوي (الرسوم البيانية في العمود على اليسار) وفي سنة العاصفة الترابية MY28 (الرسوم البيانية في العمود على اليمين) ، يتم حساب جميع الحقول على المناطق وعلى مدار الفترة بين Ls = 250◦ و 270◦ ، حيث:
أ) بخار الماء (الخطوط المظلمة) ، جليد الماء (الخطوط البيضاء) والتدفق الزيتي لبخار الماء (الخطوط ذات السهام التي يشير لونها وسمكها إلى الاتجاه الرأسي و ppmv ، على التوالي) ؛
(ب) كما في (أ) ولكن بالنسبة لعاصفة ترابية خلال MY28 ؛
(ج) رسم بياني مع درجة حرارة تدفق المياه لسيناريو الغبار "الرئيسي" ؛
(د) كما في (ج) ، ولكن بالنسبة لسيناريو عاصفة الغبار خلال MY28 ، باستثناء الخطوط الكنتورية التي تظهر الفرق في درجة الحرارة بين (د) و (ج).
يتبين أنه أثناء العواصف ، يكون تركيز بخار الماء في الطبقات العليا أكبر ، وتكون درجة حرارته أعلى.
الشكل 3. تركيز بخار الماء على ارتفاعات مختلفة وفي أوقات مختلفة من يوم المريخ.سول هو يوم المريخ. إنها أطول بقليل من الدنيوية ، وتستغرق 24 ساعة و 39 دقيقة و 35244 ثانية. السنة على المريخ تساوي 669.56 "Solam" أو 686.94 يوم أرض.
الشكل 3. توزيع انحرافات وقت الارتفاع عن القيمة المتوسطة لتركيز بخار الماء (ظلال الألوان ppmv) والسرعة الرأسية (على الخطوط ، القيم بالمتر / ثانية) ، وفقاً لبيانات الفترة بين Ls = 250◦ و 270◦ (إحداثيات القياس - خط الطول 75. خط الطول 0).
القيم الإيجابية للسرعة العمودية تتوافق مع الحركات الصعودية.
(أ) سيناريو الغبار "الرئيسي":
(ب) كما في (أ) ولكن بالنسبة لعاصفة ترابية خلال MY28:
كما ترون ، في الرسم البياني الثاني في الطبقات العليا ، يوجد عدد أكبر من النوافذ ذات تركيز عالٍ من بخار الماء مع سرعة رأسية موجبة ، والتي تشكل تدفقات تصاعدية إلى الفضاء الخارجي.
الشكل 4. دورة المياه السنوية.
الشكل 4. التوزيع الرأسي لمحتوى الماء الكلي (البخار + الجليد) التي تم الحصول عليها:
(أ) و (ج) - ليل نهار وفقًا لجهاز Mars Climate Sounder (MCS) المثبت على جهاز Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ؛
(ب) و (د) - ليلا ونهارا وفقا لبيانات من محاكاة في الدراسة.
في الرسوم البيانية من الشكل 4 أعلاه:
- في فترة ما بعد الظهر - هذا وفقًا للبيانات الساعة 15:00 بتوقيت المريخ ؛
- في الليل - هذا وفقًا للبيانات في الساعة 03:00 صباحًا بتوقيت المريخ.
في جميع الرسوم البيانية في الشكل 4 ، تم حساب القيم في خطوط الطول والعرض.
عند معالجة البيانات أثناء المحاكاة ، تم إجراء المتوسط على الأوقات المحلية في الفترات 14: 00-16: 00 و 02: 00–04: 00.
في ختام أعمالهم البحثية ، خلص الباحثون إلى أن جو المريخ هو أكثر نفاذية لبخار الماء من الأرض ، وأن دورة المياه الموسمية المفتوحة تسهم بشكل كبير في استمرار تشغيل الآلية الطبيعية لفقد بخار الماء بواسطة المريخ.