Marsklima: Zurück in die Zukunft

Irgendwo in der Umlaufbahn des Mars nach 50 Millionen Jahren.

Bis vor kurzem galt das Klima der Planeten des Sonnensystems als nahezu unverändert: Erst 1920 schlug Milutin Milankovich die Idee vor, dass Änderungen der Exzentrizität der Umlaufbahn, der Neigung der Rotationsachse der Erde und ihrer Präzession insgesamt zyklische Klimaveränderungen verursachen (tatsächlich wurden ähnliche Annahmen vor ihm gemacht). Aufgrund fehlender Daten konnte diese Regel jedoch früher nicht korrekt formuliert werden. Diese Regelmäßigkeit wurde zu Ehren seines Autors benannt - Milankovich-Zyklen . 1950 schlugen Dirk Brauer und Adrianus Van Voerkam vor, dass sich auch die Exzentrizität der Marsbahn im Laufe der Zeit ändert, was zu Änderungen des Klimas führt. Aber zu dieser Zeit war es unmöglich zu bestätigen oder zu widerlegen - bis zum Flug des Mars blieb die erste Erdsonde Mariner-4 weitere 15 Jahre.

Dank meiner guten Freundin Dilyara Sadrieva können Sie diesen Artikel in einem Videoformat ansehen.

Selbst bei den ersten Flugmissionen wurden jedoch Bilder von zu geringer Qualität übertragen, um den Schleier der Geheimhaltung in dieser Angelegenheit zu öffnen. Aber bereits Mariner-9 (der als erster unter Erdsonden in die Marsumlaufbahn eintrat und vom 14. November 1971 bis 27. Oktober 1972 daran arbeitete) gelang es, mehr als 7.000 Bilder von anständiger Qualität mit einer Auflösung von 100-1000 Metern pro Pixel zu übertragen. Für Fans von Aelita Alexei Tolstoy und War of the Worlds von Herbert Wells waren die Nachrichten enttäuschend: Die von Giovanni Schiaparelli auf dem Mars entdeckten Kanäle waren nur eine optische Täuschung, und der Mars selbst erschien der Menschheit als leblose Wüste. Die Temperaturunterschiede auf dem Planeten reichten von -143 ° C an den Polen im Winter bis + 35 ° C an einem sonnigen Tag am Äquator im Sommer, und der atmosphärische Druck auf dem größten Teil des Planeten war so gering, dass sich Wassereis in Dampf verwandelte und umgekehrt die flüssige Phase umging.


Die ersten Spuren der von Mariner-9 erhaltenen Inkonsistenz des Marsklimas: Die Schichtstruktur der Polkappen, die von der oberen rechten Ecke des Bildes bis zur Mitte des unteren Teils deutlich sichtbar ist, ist im Bild deutlich sichtbar.

Es gab jedoch gute Nachrichten: Das Gerät konnte mehr als 70% der Marsoberfläche erfassen, einschließlich Polkappen. Auf ihnen wurden fast keine Krater beobachtet, was von ihrem jungen Alter zeugte (es wurde auf 20 Millionen Jahre geschätzt). Auch überall, beginnend vom 80. Breitengrad bis zu den Polen, wurde eine Schichtstruktur fixiert - dies bedeutete, dass die Polkappen des Mars nicht nur sehr junge Formationen sind, sondern sich in dieser Zeit auch periodisch ändern. Die Theorie der Variabilität des Marsklimas wurde bestätigt.



Die ersten Simulationen ergaben Exzentrizitätsänderungen im Bereich von 0,004 bis 0,141, die fast mit modernen Schätzungen von 0 bis 0,16 übereinstimmten. Der aktuelle Wert der Exzentrizität für den Mars wird auf 0,0934 geschätzt - er ist immer noch ein sehr großer Wert im Vergleich zu 0,0167 auf der Erde und steht nach Merkur an zweiter Stelle. Auf der Grundlage von Tycho Brahes Beobachtungen der Marsbewegung konnte Johannes Kepler zu dem Schluss kommen, dass die Umlaufbahnen der Planeten eher elliptisch als kreisförmig sind, was ihm später ermöglichte, seine drei berühmten Gesetze aufzustellen.

Die Zyklizität von Exzentrizitätsänderungen wurde auch durch zwei Perioden von 95.000 und 2 Millionen Jahren korrekt bestimmt (obwohl aufgrund von Schwierigkeiten bei der Messung der Ablagerungsrate von Gesteinen in den Polkappen des Mars die Fehler auf zwei Größenordnungen geschätzt wurden). Die Änderungen der Orbitalneigung wurden jedoch falsch geschätzt: Aufgrund der Unterschätzung des Einflusses der Präzession auf diesen Parameter ergaben die ersten Berechnungen der Forscher nur 15-35 ° anstelle der modernen 0-80 °.


Animation der Präzession der Rotationsachse der Erde. Auf dem Mars tritt es in die entgegengesetzte Richtung auf.

Trotz der Tatsache, dass der Mars fast zehnmal weniger wiegt als die Erde, dauern seine Zyklen viel länger. Für die Erde dauert der Präzessionszyklus 25800 Jahre , für den Mars sogar 56600 Jahre (die Präzessionsrate beträgt 50,3 Bogensekunden für die Erde bzw. 8,26 Bogensekunden für den Mars). Die Neigungsachse der Erde hat einen Zyklus von 41.000 Jahren und der Mars 124.000 Jahre. Die Präzession der Rotationsachse des Planeten führt zu interessanten Effekten: Die damit verbundene allmähliche Änderung der Rotationsachse des Planeten führt dazu, dass der Titel eines "polaren" Sterns im Laufe der Zeit von einem zum anderen übergeht. Gleichzeitig „driftet“ der Beginn der Jahreszeiten allmählich: Auf der Erde verschieben sie sich alle 70,5 Jahre um einen Tag zurück, und auf dem Mars hingegen verschieben sie sich alle 83,3 Jahre um einen Tag vorwärts. Die Änderungsrate fällt in diesem Fall fast zusammen, da das Marsjahr selbst 1,8-mal länger ist als die Erde.


Entwicklung der südlichen Polkappe aus den Bildern des Mars Global Surveyor .

Aufgrund der hohen Exzentrizität der Marsumlaufbahn, die im Aphel (dem äußersten Punkt der Umlaufbahn) mit dem Winter auf der südlichen Hemisphäre zusammenfällt, ist das Klima auf dieser Hemisphäre strenger und die südliche Polkappe deutlich größer als die nördliche. Unter anderen interessanten Merkmalen: Die Länge des Tages auf dem Mars ist 37,4 Minuten länger als die der Erde, aber die Trennung wird weiter verringert, da die Verzögerung der Rotation des Mars mit einer Geschwindigkeit auftritt, die 3 Größenordnungen geringer ist als die der Erde, was mit der geringen Masse der beiden Satelliten des Mars im Vergleich verbunden ist unser Mond.

1001 Simulation von Änderungen der Neigung der Rotationsachse des Mars.

1989 stellte Lascar fest, dass sich die Parameter der terrestrischen Planeten zufällig ändern (hauptsächlich aufgrund des Einflusses der zufällig bewegten Asteroiden Vest und Ceres, die von Objekten des Asteroidengürtels betroffen sind). Dies führt dazu, dass es unmöglich ist, die Änderungen der Neigung der Achse und der Exzentrizität des Mars für einen Zeitraum von mehr als 10 Millionen Jahren (dieser Zeitraum wird als Lyapunov-Zeit bezeichnet ) genau zu bestimmen, und für einen Zeitraum von mehr als 50 Millionen Jahren wird es unmöglich, die statistische Verteilung ihrer Werte noch mehr oder weniger genau zu bestimmen ( Für die Erde betragen diese Intervalle 50 bzw. 250 Millionen Jahre. Für Zeiträume innerhalb von 10 Millionen Jahren können die Eigenschaften der Umlaufbahnen aller Planeten des Sonnensystems mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Studien dieser Indikatoren für andere Planeten ergaben ebenfalls sehr interessante Ergebnisse: Obwohl sich die Parameter der Umlaufbahnen von Riesenplaneten praktisch nicht ändern, schwankten ihre Exzentrizitäten in Mars und Merkur über einen sehr weiten Bereich. Und für Merkur waren sie so groß, dass sie in Abständen von Milliarden von Jahren dazu führen konnten, dass sie aus dem Sonnensystem ausgestoßen werden konnten, wenn sie sich der Venus näherten (diese Wahrscheinlichkeit war in der Vergangenheit und bleibt in der Zukunft). Es kann uns auch erlauben, das Fermi-Paradoxon (das Problem, warum wir keine Lebensspuren von anderen Sternen finden) anders zu betrachten, da sich für den Ursprung des Lebens auf dem Planeten herausstellt, dass es sich nicht nur in der bewohnbaren Zone seines Sterns bilden muss, sondern gleichzeitig sei auch mit anderen Planeten in einem quasi stabilen Zustand, um nicht herauszufallen.



Aber zurück zum Mars. Schätzungen zufolge hatte die ursprüngliche Marsatmosphäre einen sechsmal höheren Druck als die aktuelle Erde, aber infolge des späten schweren Bombardements durch Asteroiden und Kometen (das vor 3,8 Milliarden Jahren stattfand) verlor der Mars das meiste davon und hielt einen Druck von 0,5-1 Erdatmosphäre (500-) aufrecht 1000 mbar ). Aber jetzt beobachten wir einen durchschnittlichen Druck auf der Marsoberfläche von nur 6 mbar - wohin ging der Rest? Bis vor kurzem wurde als Hauptgrund für den Verlust der Marsatmosphäre das Verschwinden eines Magnetfelds angesehen, das das „Blasen“ der Atmosphäre unter dem Einfluss des Sonnenwinds nicht mehr behinderte.

Weitere Studien haben jedoch gezeigt, dass das Fehlen eines Magnetfelds im Gegenteil die Verflüchtigungsrate verlangsamt : Die vom Satelliten MAVEN in den ersten zwei Betriebsjahren gemessenen atmosphärischen Verluste betrugen durchschnittlich 2193 Tonnen pro Jahr. Selbst wenn wir berücksichtigen, dass diese Messungen bei einem Rückgang der Sonnenaktivität durchgeführt wurden und der Durchschnittswert um ein Vielfaches höher sein wird, reicht dies immer noch nicht aus: Die früheren Schätzungen von Wissenschaftlern, basierend auf den Verlusten von 568 Tonnen pro Jahr im solaren Minimum in der Neuzeit, ergaben einen allgemeinen Kohlendioxidverlust aus der Atmosphäre in Höhe von 0,8-43 mbar in den letzten 3,5 Milliarden Jahren. Das heißt, wenn wir ihre Schätzungen auf die von MAVEN erhaltenen Daten extrapolieren (die sich als 3,86-mal höher herausstellten), erhalten wir für diesen Zeitraum ein Leck von 31-166 mbar gegenüber dem Minimum von fehlenden 500 mbar.


Änderung des Luftdrucks im Laufe des Marsjahres. Der Unterschied im Zeugnis ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich der Viking-2 900 Meter unter dem durchschnittlichen Niveau der Marsoberfläche befand als sein Gegenstück Viking-1.

Welche anderen Verdächtigen gibt es? Wikinger-Landeplattformen fanden heraus, dass der Marsboden einen erheblichen Anteil an Montmorillonit- Tonen enthält, die eine erhebliche Menge Kohlendioxid aus der Atmosphäre adsorbieren können. Zusätzlich zu 4-5 mbar , die in Polkappen von Pol zu Pol wandern (nach neueren Daten können es dort bis zu 85 mbar sein ) und 6 mbar in der Atmosphäre, wird angenommen, dass etwa 300 mbar Kohlendioxid aus der Atmosphäre vom Boden absorbiert wurden und weitere 130 mbar verwandelte sich darin in Karbonate. Die Schätzungen der verschiedenen aktuellen Kohlendioxidreserven auf dem Mars durch verschiedene Wissenschaftler variieren in einem ziemlich weiten Bereich: von ≤ 200 bis ≥ 450 mbar . Zuvor schwankten sie jedoch sogar im Bereich von 200-10000 mbar .

Der Grund für diese Streuung war unser schlechtes Wissen über die innere Struktur des Roten Planeten. Und jetzt, obwohl wir die Polkappen des Mars sowie die Oberflächenschichten des Mars über seine gesamte Fläche bis zu einer Tiefe von einigen Metern ziemlich gut untersucht haben, lässt unser Wissen über seine innere Struktur zu wünschen übrig, weshalb die Streuung der Schätzungen immer noch groß bleibt. Die InSight- Landeplattform, die am 26. November auf dem Mars gelandet ist, sollte den Vorhang zu diesem Thema öffnen. An Bord der InSight befinden sich ein empfindliches Seismometer und ein zusammenklappbarer 5-Meter-Bohrer (in diesem Fall werden wir keine chemische Analyse des Bodens durchführen, aber auch die Messung der physikalischen Eigenschaften des Bodens in solchen Tiefen wird für uns ein großer Schritt nach vorne sein).



"Wie wirkt sich das alles auf das Marsklima aus?" - Sie können fragen. Der Punkt hier ist, dass die Exzentrizität davon abhängt, wie nahe sich der Planet der Sonne nähert und wie viel Zeit er pro Umdrehung in dieser Position verbringt. Die Exzentrizität beeinflusst also das Klima des Planeten als Ganzes, und die Neigung der Achse beeinflusst seine Breitenverteilung: Wenn die Neigungsachse des Planeten den Wert von 54 ° erreicht, beginnen die Pole des Planeten, die gleiche Menge Sonnenlicht wie der Äquator zu empfangen. Und mit einer weiteren Steigung - noch mehr. Dadurch wird das Klima an den Polen wärmer als am Äquator, was wiederum zum Schmelzen der oberen Schicht von Polkappen aus „Trockeneis“ (gefrorenes Kohlendioxid) führt. Und da Kohlendioxid ein Treibhausgas ist, bewirkt seine Freisetzung eine Erwärmung auf dem gesamten Planeten.


Diagramm der jährlichen Temperaturspitzen in den Regionen der Polkappen gemäß einer Studie von 2012. Die höchsten Temperaturen sind schwarz hervorgehoben, die mittleren sind rot und gelb und die niedrigsten sind weiß (der aktuelle Zustand des Mars wird durch die Raute angezeigt). Das blaue Rechteck zeigt das Intervall der Änderungen der Parameter der Exzentrizität und Neigung der Erde an.

Für den gesamten Satz von Faktoren sind die optimalen Parameter für die Erwärmung des Mars der Durchschnittswert der Exzentrizität (0,06-0,08) und die Übereinstimmung des Perihels der Umlaufbahn mit dem Äquinoktium (0 ° oder 360 °), aber im Allgemeinen haben diese Parameter einen viel geringeren Einfluss auf das Klima. Die aktuellen Werte für den Mars betragen 25,19 ° der Achsenneigung, die Exzentrizität beträgt 0,0934 und das Perihel beträgt 286,502 °. Die Exzentrizität der Umlaufbahn des Mars erreicht nun ihren Höhepunkt bei 0,105 (der nach 24.000 Jahren erreicht werden sollte), danach kehrt sie auf die Rate von 0,002 zurück (die nach 100.000 Jahren erreicht sein wird). Leider befindet sich die Neigung des Mars jetzt in einer ruhigen Phase, nahe dem Minimum des Zyklus von 2 Millionen Jahren, und plant in naher Zukunft nicht, über 36 ° zu steigen. Daher sollte der Mars in absehbarer Zeit für uns eine endlose Wüste bleiben.


Der Sandwirbelwind, der am 15. Mai 2005 vom Spirit Rover eingefangen wurde. Gif zeigt den Prozess der Wirbelbewegung in 9,5 Minuten an (das Intervall zwischen den Bildern beträgt ungefähr eine halbe Minute).

Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich das Klima des Mars in naher Zukunft nicht ändern wird. Genauer gesagt ändert sich dies derzeit: Ab dem Zeitpunkt des Eingangs der neuesten Informationen der Wikinger im Jahr 1977 und bis zum Eingang der ersten Daten der Mars Global Surveyor- Sonde im Jahr 1999 stieg die Temperatur der Marsoberfläche um 0,86 ° C. Dieser Prozess steht nicht in direktem Zusammenhang mit den oben beschriebenen Phänomenen - die Wissenschaftler fanden eine Erklärung dafür in der Veränderung der Albedo des Mars (dem Grad des Reflexionsvermögens seiner Oberfläche), die sich, wie sich in den letzten 22 Jahren herausstellte, auf einem Drittel der Marsoberfläche um mehr als 10% nach oben oder unten verändert hat.

Diese Änderung sieht keine wesentlich einfachere Terraformierung des Mars vor, da nach vorläufigen Schätzungen von Wissenschaftlern die Oberflächentemperatur um bis zu 25 ° C erhöht werden muss. Andernfalls kehrt der Mars nach Beseitigung des äußeren Einflusses in seinen ursprünglichen kalten Zustand zurück. Die Veränderung der Albedo des Mars selbst ist höchstwahrscheinlich mit Staubstürmen verbunden, und wie auf den Bildern zu sehen ist, wird die südliche Polkappe ( die während des Jahres gebildet wird, in dem ein globaler Staubsturm auf dem Mars auftritt) „schmutziger“ als die nördliche.



Jetzt basieren diese Daten nur noch auf zwei Zeitpunkten und es ist zu früh, um über irgendwelche Muster zu sprechen. Studien über Zyklen von Änderungen der Exzentrizität und Neigung legen jedoch auch nahe, dass die globale Erwärmung derzeit auf dem Mars stattfindet, jedoch mit einer viel geringeren Geschwindigkeit:


Die blaue Linie ist die Temperatur, bei der der Permafrost im Sturmkrater 5 ° südlich des Äquators (von Curiosity erhalten ) zu schmelzen beginnt.

Was kann uns diesen kleinen Höhepunkt auf dem Chart geben, zu dem wir uns jetzt bewegen? Im Allgemeinen ziemlich viel. Mit einem Anstieg der Durchschnittstemperatur auf dem Mars sollte auch dort wie auf der Erde eine globale Erwärmung auftreten: Bei einem atmosphärischen Druck von 6,1 mbar und einer Temperatur von 158 ° K können bis zu 11 cm³ Kohlendioxid pro 1 Gramm Boden im Marsboden adsorbiert werden, jedoch bei einer Temperatur bei 196 ° K tritt die Sättigung bereits bei 3,5 cm³ pro Gramm auf. Das Erhitzen des Bodens führt somit zur Freisetzung von darin angesammeltem Treibhausgas. Im Allgemeinen ist jedoch aufgrund dieses geringen Anstiegs der Durchschnittstemperatur der Effekt selbst unbedeutend. Aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit des Bodens erfolgt seine Erwärmung nicht sofort, sondern mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Meter pro Jahr, so dass diese schmalen Gipfel keine Zeit haben, den Mars auf eine beträchtliche Tiefe zu erwärmen und die Freisetzung erheblicher Mengen Kohlendioxid zu verursachen.


Eine Staubfederung in der Marsatmosphäre macht den Himmel zum Gegenteil der Erde.

Neben der Freisetzung von Gasen aus dem Boden ist ein weiterer Aufwärmeffekt möglich: Mit einem deutlichen Anstieg des Luftdrucks sollten die berühmten globalen Staubstürme des Mars laut Wissenschaftlern zunichte gemacht werden. Es sollte auch die Durchschnittstemperatur auf dem Planeten erhöhen, da diese Stürme den gesamten Planeten für einen Zeitraum von mehreren Erdmonaten bis sechs Monaten bedecken können und einen Teil des Lichts zurück in den Weltraum reflektieren. Eine vielleicht noch wichtigere Folge davon könnte sein, dass diese Stürme laut einer anderen kürzlich durchgeführten Studie eine Quelle für Perchlorate auf dem Mars sind, die in hohen Konzentrationen für den Menschen und die meisten Lebensformen auf der Erde (einschließlich Pflanzen) toxisch sind. Somit kann die Klimaerwärmung auf dem Roten Planeten direkt dazu beitragen, die Fruchtbarkeit seines Bodens zu erhöhen. Dieser Effekt erfordert jedoch eine wesentlich stärkere Erwärmung als im aktuellen Zyklus des Temperaturanstiegs erreicht wird. Daher wird dies eher im Zusammenhang mit der Mars-Terraforming diskutiert, die in einem anderen Artikel erörtert wird.



Am Ende des Artikels möchte ich alle, die sich für die Erforschung, Kolonisierung und Terraformierung des Mars interessieren, einladen, die Mars-Gesellschaftsgruppe auf Facebook und VKontakte zu abonnieren, sich unseren Reihen anzuschließen oder Koordinatoren der Mars-Gesellschaft in den Regionen zu werden, um ihren Beitrag zum Prozess der Transformation des „Roten Planeten“ zu leisten "In blaugrün. Dazu können Sie mich oder Alexei kontaktieren.