Braucht der Mars ein Magnetfeld?

Wir setzen die Rubrik "Angewandtes Terraforming" fort. In der vorherigen Ausgabe haben wir die Kohlendioxidreserven des Mars und das menschliche Potenzial für die Umwandlung in die Atmosphäre bewertet. Heute werden wir darüber sprechen, ob es sinnvoll ist, die Marsatmosphäre ohne Magnetfeld zu füllen.

Das Thema Magnetfeld taucht in fast allen Diskussionen auf, wenn es um die Umwandlung des Mars in einen erdähnlichen Planeten geht. Viele aus den Lehren der Naturwissenschaften und durch die Bemühungen zahlreicher populärwissenschaftlicher Filme und Veröffentlichungen haben es fest als Wahrheit auswendig gelernt: Das Erdmagnetfeld schützt uns vor Sonnenstrahlung und die Atmosphäre vor dem Wind durch den Sonnenwind. Darüber hinaus wird dieses "Blasen" von vielen wörtlich wahrgenommen - als ein mechanischer Prozess der Entfernung atmosphärischer Gase durch Sonnenplasmaströme.

Das Erdmagnetfeld ist in solchen Gemälden als heldenhafter Beschützer dargestellt, der mit einem Schild auf dem Weg der bösen Strömungen des von der Sonne gesendeten feurigen Windes steht.



Die moderne Weltraumforschung bietet jedoch immer mehr Gründe, dieses Bild dahingehend zu überarbeiten, dass die Interaktionsprozesse zwischen Heliosphäre und Geosphäre kompliziert werden. Ehrlichere Schemata weisen bereits darauf hin, dass die Magnetosphäre nicht vor dem Austreten der Atmosphäre aus den Polen schützt, sondern sogar dazu beiträgt.



Fangen wir in der richtigen Reihenfolge an. Zuerst müssen Sie die Ursachen für den Verlust der Atmosphäre durch die Planeten verstehen.

Die Dissipation (Streuung) von Atmosphären in den Weltraum hat einen thermischen und nicht-thermischen Ursprung. Es gibt zwei thermische Mechanismen: den sogenannten Jeans und hydrodynamisch. Das erste ist die Erwärmung atmosphärischer Moleküle durch Sonnenlicht. Wie Sie wissen, ist die Temperatur die Intensität der Bewegung von Atomen und Molekülen. Wenn sich um ein erhitztes Molekül viele Nachbarn befinden, überträgt es seine Bewegungsenergie auf sie und verlangsamt sich. Wenn sich keine Moleküle und Atome in der Nähe befinden und der Energiefluss nicht stoppt, erwärmt sich das Molekül irgendwann in einem solchen Zustand, dass es wie ein echtes Raumschiff die Atmosphäre mit einer zweiten kosmischen Geschwindigkeit verlässt . Dies ist ungefähr das, was in der oberen Atmosphäre passiert - die sogenannte Thermosphäre. Und je näher der Planet der Sonne ist, desto stärker wirkt sich dieser Faktor aus. Aber hier hängt viel von der Masse des Planeten ab. Zum Beispiel verlassen Wasserstoff und Helium leicht die Grenzen der Atmosphäre der Venus, aber massereichere CO2-Moleküle werden von der ziemlich starken Schwerkraft des Planeten gehalten. Auf der Erde passiert übrigens dasselbe, nur mit geringerer Intensität, aber 250 Tonnen Wasserstoff und 4 Tonnen Helium werden sich jeden Tag für immer von uns verabschieden .

Ein ähnlicher Prozess wie ein thermischer Prozess ist ein photochemischer Prozess, bei dem unter dem Einfluss ultravioletter Strahlen Moleküle in separate Atome zerfallen. Beispielsweise wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt, was zum Entweichen von Wasserstoff beiträgt.

Der Mars ist weiter von der Sonne entfernt, sodass die Atmosphäre weniger Licht erhält, aber die Masse des Planeten geringer ist. Daher verliert er nach verschiedenen Quellen täglich 1 bis 100 Tonnen der Atmosphäre - hauptsächlich Kohlendioxid.



Aber wir erinnern uns, dass der Mars kein Magnetfeld hat! Kommen wir dazu, aber jetzt werden wir eine andere thermische Methode des atmosphärischen Verlusts in Betracht ziehen - die hydrostatische.

Wenn die Erwärmung der Planetenatmosphäre sehr intensiv ist und sich darunter zusätzliche Wärmequellen befinden, können die schwereren Gasmoleküle von den Lichtpartikelströmen weggetragen werden, sich erwärmen und denselben zweiten Kosmos gewinnen, so dass sie niemals zum Planeten zurückkehren. Wahrscheinlich aus diesem Grund hat der ausreichend vulkanisch aktive und massive Satellit von Jupiter Io keine signifikante Atmosphäre - er wird ständig durch starke Vulkanausbrüche ausgeblasen.



Es gibt einen anderen Weg, um die Atmosphäre loszuwerden, der teilweise dem vorherigen hydrostatischen Aufprall ähnelt. Wir alle wissen, wie mächtige Explosionen aussehen - eine Rauchsäule steigt in den Himmel und verwandelt sich in einen Pilz. Wenn die Explosion stark genug ist, steigt diese Säule in den Weltraum, wo die erhitzten Moleküle in einer verdünnten Atmosphäre genug beschleunigen können, um für immer wegzufliegen. Für Planeten mit einem relativ starken Gravitationsfeld und einer dichten Atmosphäre wie Erde und Venus kann dieser Faktor unbedeutend sein, aber für den Mars können die Verluste viel bedeutender sein, und er scheint mehr als die Erde zu haben - ein Asteroidengürtel ist in der Nähe. Dieser Faktor ist gegen diejenigen, die anbieten, einen Asteroiden oder einen größeren Kometen auf dem Mars zu stürzen - wir müssen noch berechnen, ob nach der Explosion noch etwas übrig ist.



Es ist schwer zu sagen, wie wichtig eine bedeutende Rolle für den Verlust der Marsatmosphäre war. Sie können nur grobe Schätzungen vornehmen, aber auch grobe Schätzungen, die ich nicht getroffen habe. Man sollte jedoch nicht vergessen, dass der Mars am meisten gelitten hat, ebenso wie der Mond und die Erde während der späten schweren Bombenangriffe vor etwa 3,8 Milliarden Jahren. Aber in jenen Jahren auf dem Mars herrschte immer noch eine dichte Atmosphäre, weil Flüsse flossen.

Ein wichtiger Punkt: Bei allen oben genannten Faktoren wirkt sich das Magnetfeld in keiner Weise aus. Daher steht die Erde in ein paar Milliarden Jahren vor dem Schicksal von Mars und Venus - der vollständigen Verflüchtigung von Wasserstoff, d.h. sich in eine Wüste verwandeln. Es könnte eine Werbung für einen SPA-Salon oder einen Badeort geben - genießen Sie flüssiges Wasser, während es eine solche Gelegenheit gibt.



Die Atmosphäre kann dünner werden, ohne den Planeten zu verlassen. Dies geschieht, wenn atmosphärische Gase eine chemische oder physikalische Wechselwirkung mit der Oberfläche eingehen. Kohlenstoff und Sauerstoff können effektiv binden, um mit Gesteinen zu reagieren. Es wird angenommen, dass sich unsere Atmosphäre nicht sehr von der Venus unterscheidet, wenn Sie den gesamten Kohlenstoff der Erde freisetzen, der jetzt in Ablagerungen von Kohlenwasserstoffen und Karbonatgesteinen verbunden ist. Deshalb muss ich mich bei der millionenjährigen Evolution von Mikroorganismen bedanken, die unsere Erde in einen blühenden Garten verwandelt haben. Wasserstoff und Sauerstoff können effektiv aus der Atmosphäre entfernt werden, indem sie sich in Wasser verwandeln und Ozeane oder Gletscher bilden. Je weiter von der Sonne entfernt, desto mehr Gase können sich in Eis verwandeln.

Nun zurück zum Sonnenwind und Magnetfeld. Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen - Elektronen, Protonen und Alpha-Teilchen. Partikel haben unterschiedliche Geschwindigkeiten und langsame (300-500 km / s) Partikel sagen "langsamer Sonnenwind", schneller (600-800 km / s) - "schneller Sonnenwind" und hohe Geschwindigkeit (900 km / s und höher) ) - "Sonnenstrahlung". Die Sonne sendet auch eine Menge anderer "Strahlungen" aus: Ultraviolett, Röntgen, Neutronen bis hin zu Gamma, aber jetzt sprechen wir über eine, die eine elektrische Ladung hat und von einem Magnetfeld beeinflusst wird.

So strömen Sonnenpartikel von der Sonne zur Erde. In einer Entfernung von etwa 10 Erdradien beginnt unser Magnetfeld, sie zu beeinflussen und abzulenken. Je niedriger die Energie der Partikel ist, desto effizienter werden sie vom Magnetfeld abgelenkt. Am Ort dieses Treffens bildet sich eine Schockwelle. Infolgedessen rutschen einige Teilchen durch die magnetischen Linien, weichen jedoch ab, um an der Erde vorbei zu fliegen, andere werden von der Atmosphäre absorbiert, aber die überwiegende Mehrheit richtet sich entlang der magnetischen Linien aus und geht in die vorhandenen Torusströme geladener Teilchen um die Erde über, die als "Strahlungsgürtel" bezeichnet werden. Hurra, der Planet ist gerettet, das Magnetfeld hat seine Heldentat vollbracht ... Aber was ist das? Warum wurden unsere Stangen rot und grün?



Auroren sind ein wunderbarer Anblick, bis Sie über die Physik der dort ablaufenden Prozesse nachdenken. Und Folgendes passiert: Magnetische Linien fangen nicht nur Sonnenpartikel ein, sondern auch einen Teil davon sind auf die Pole gerichtet. Neu angekommene Teilchen werden zusätzlich durch ein Magnetfeld beschleunigt und fallen in die Erdatmosphäre zusammen. Sie schlagen Elektronen von neutralen Atomen und Molekülen ab, sie werden geladen und glühen vor Empörung. Geladene Ionen bilden ein elektrisches Feld, das als Beschleuniger fungiert und Ionen (Moleküle, die ein Elektron verloren haben) beschleunigt, so dass sie eine zweite kosmische Geschwindigkeit erreichen und den Planeten verlassen. So findet der Prozess der elektromagnetischen Dissipation statt, vor dem uns angeblich ein Magnetfeld rettet. Erinnerst du dich an Wasserstoff und Helium, die von der Erde wegfliegen? Füge auch hier Sauerstoff hinzu,Das ist zu schwer für die Wärmeableitung und fliegt nur aufgrund eines solchen "guten" und "fürsorglichen" Magnetfelds von der Erde. Das Volumen des Sauerstoffverlustes aus jeder schönen Nacht in der Polarregion ist noch nicht bekannt, aber die Tatsache selbst ist bereits bekanntvon europäischen Clustersatelliten bewiesen .



Was passiert, wenn ein Planet ohne Magnetfeld dem Einfluss des Sonnenwinds ausgesetzt ist? Hier wird alles dramatischer - Sonnenpartikel nähern sich dem Planeten in einer Entfernung von anderthalb Durchmessern frei und beginnen, die oberen Schichten seiner Atmosphäre zu bombardieren. Die Gasmoleküle beginnen Elektronen zu verlieren, nehmen eine Ladung auf und ... stoßen die Ströme des Sonnenwinds mit derselben Ladung ab. Jene. Auch hier bildet sich wie bei einem Magnetfeld eine Stoßwelle, die den Großteil der Sonnenpartikel nicht näher kommen lässt. Dank dieses Effekts verlor die Venus nicht ihre unglaublich dichte Atmosphäre und war der Sonne viel näher als der Erde oder dem Mars.



Bisher können Wissenschaftler nicht sagen, wie bedeutend der Beitrag der elektromagnetischen Dissipation zur Verschlechterung der Marsatmosphäre ist. Um diese Frage zu beantworten, wurde der Satellit MAVEN zum Mars geschickt. In der Zwischenzeit sind mehrere Fakten über den Verlust der Marsatmosphäre bekannt:

• Jetzt geht weniger als 1 Tonne Atmosphäre pro Tag verloren - das Mars Express-Raumschiff hat es herausgefunden , aber die Messungen wurden mit einem solaren Minimum durchgeführt.
• Von der Entstehung des Planeten bis heute hat der Mars so viel Wasserstoff aus der Atmosphäre verloren, wie in einem 110 Meter tiefen Ozean enthalten sein könnte, der den gesamten Planeten bedeckt. Astronomen des Europäischen Südobservatoriums haben dies gelernt, indem sie die Änderung des Verhältnisses der leichten und schweren Wasserstoffisotope in der Marsatmosphäre analysiert haben.
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Es stellt sich heraus, dass Wissenschaftler heute nur die Mechanismen erraten, die zum Verlust von 1/3 der gesamten Marsatmosphäre geführt haben, und nicht wissen, wo sonst 2/3 passiert sind. Es ist nicht bekannt, wie viele Mechanismen der elektromagnetischen (Sonnenwind), hydrostatischen (starke Eruptionen von Supervulkanen) und Aufpralldissipation (Asteroidensturz) zu diesem Verlust beigetragen haben. Gleichzeitig wird nun der Beitrag des Sonnenwinds zur Erschöpfung der Atmosphäre untersucht, und in den kommenden Jahren wird es eine spezifischere Antwort auf diese Frage geben, und Vulkane und Asteroiden können von den wesentlichen Faktoren der atmosphärischen Verschlechterung des Mars ausgeschlossen werden.

Zusammenfassend: Das Beispiel der Venus zeigt, dass der Sonnenwind kein entscheidender Faktor für die Verflüchtigung der Atmosphäre ist. Für den Mars ist seine Wirkung etwa viermal weniger intensiv. Einige der Faktoren, die in der Vergangenheit zum Verlust der Marsatmosphäre führen konnten, sind heute nicht mehr von Bedeutung: Asteroidenstürze und starke Vulkanausbrüche. Die Wärmestrahlung der Sonne ist aufgrund der entfernten Lage des Mars auch kein entscheidender Faktor für die Dissipation, zumindest jetzt, wo praktisch kein leichter Wasserstoff und kein Helium in der Atmosphäre vorhanden sind. Um den Mars in einen blühenden Garten zu verwandeln, müssen wir nur noch auf die Ergebnisse des Satelliten MAVEN warten und mehrere Milliarden Exajoule Energie finden, um die Marsatmosphäre auf magische Weise mit unbekanntem Gas zu füllen.Und welche Magie hier angewendet werden kann, werden wir in der nächsten Ausgabe von "Applied Terraforming" besprechen. Nicht wechseln.

Source: https://habr.com/ru/post/de384695/