Apakah Mars membutuhkan medan magnet?

Kami melanjutkan rubrik "Applied Terraforming". Dalam edisi sebelumnya, kami mengevaluasi cadangan karbon dioksida Mars, dan potensi manusia untuk transformasi ke atmosfer. Hari ini kita akan berbicara tentang apakah masuk akal untuk mengisi atmosfer Mars tanpa adanya medan magnet.

Topik medan magnet muncul di hampir semua diskusi ketika datang ke transformasi Mars menjadi planet mirip Bumi. Banyak, bahkan dari pelajaran sejarah alam, dan melalui upaya berbagai film dan publikasi sains populer, telah menghafalnya dengan tegas sebagai kebenaran: medan magnet Bumi melindungi kita dari radiasi matahari, dan atmosfer dari tiupan angin matahari. Selain itu, "hembusan" ini dirasakan oleh banyak orang secara harfiah - sebagai proses mekanis untuk menghilangkan gas atmosferik oleh aliran plasma surya.

Medan magnet Bumi, dalam lukisan semacam itu, dilukis sebagai pelindung heroik, yang berdiri dengan perisai di jalur arus jahat angin berapi yang dikirim oleh Matahari.



Namun, penelitian ruang angkasa modern memberikan lebih banyak dan lebih banyak alasan untuk merevisi gambar ini untuk mempersulit proses interaksi heliosphere dan geosphere. Skema yang lebih jujur ​​sudah menunjukkan bahwa magnetosfer tidak menyelamatkan dari kebocoran atmosfer dari kutub, tetapi malah berkontribusi.



Mari kita mulai. Pertama, Anda perlu memahami penyebab hilangnya atmosfer oleh planet-planet.

Disipasi (hamburan) atmosfer ke ruang angkasa memiliki asal termal dan non-termal. Ada dua mekanisme termal: yang disebut Jeans, dan hidrodinamik. Yang pertama adalah pemanasan molekul atmosfer oleh sinar matahari. Seperti yang Anda ketahui, suhu adalah intensitas pergerakan atom dan molekul. Jika ada banyak tetangga di sekitar molekul yang dipanaskan, ia mentransfer energi geraknya ke mereka dan melambat. Jika tidak ada molekul dan atom di dekatnya, dan aliran energi tidak berhenti, maka di beberapa titik molekul akan memanas hingga keadaan sehingga, seperti pesawat ruang angkasa nyata, meninggalkan atmosfer pada kecepatan kosmik kedua . Ini kira-kira apa yang terjadi di atmosfer atas - yang disebut termosfer. Dan semakin dekat planet ini dengan Matahari, semakin kuat efek dari faktor ini. Tetapi di sini banyak tergantung pada massa planet ini. Sebagai contoh, hidrogen dan helium dengan mudah meninggalkan batas atmosfer Venus, tetapi molekul CO2 yang lebih masif dipegang oleh gravitasi planet yang agak kuat. Di Bumi, omong-omong, hal yang sama terjadi, hanya dengan intensitas yang lebih sedikit, tetapi 250 ton hidrogen dan 4 ton helium selamanya akan mengucapkan selamat tinggal kepada kita setiap hari.

Proses serupa dengan proses termal adalah proses fotokimia, ketika, di bawah pengaruh sinar ultraviolet, molekul-molekul memecah menjadi atom-atom yang terpisah, misalnya, air dipisahkan menjadi hidrogen dan oksigen, yang berkontribusi terhadap pelepasan hidrogen.

Mars lebih jauh dari Matahari, sehingga atmosfer menerima lebih sedikit cahaya, tetapi massa planet lebih rendah, oleh karena itu, menurut berbagai sumber, ia kehilangan setiap hari dari 1 hingga 100 ton atmosfer - terutama karbon dioksida.



Tetapi kita ingat bahwa Mars tidak memiliki medan magnet! Mari kita mulai, tetapi untuk saat ini kami akan mempertimbangkan metode termal lain dari kehilangan atmosfer - hidrostatik.

Jika pemanasan atmosfer planet ini cukup intens, dan jika ada sumber panas tambahan di bawahnya, maka molekul gas yang lebih berat dapat terbawa oleh aliran partikel cahaya, panaskan dan dapatkan kosmik kedua yang sama, sehingga mereka tidak akan pernah kembali ke planet ini. Mungkin karena alasan ini, satelit aktif dan besar-besaran dari Jupiter Io yang vulkanik tidak memiliki atmosfer yang signifikan - ia terus-menerus meledak oleh letusan gunung berapi yang kuat.



Ada cara lain untuk menghilangkan atmosfer, yang sebagian mirip dengan dampak hidrostatik sebelumnya. Kita semua tahu seperti apa ledakan yang kuat itu - sebatang asap naik ke langit, berubah menjadi jamur. Jika ledakannya cukup kuat, maka pilar ini akan naik ke angkasa, di mana dalam atmosfer yang jarang terjadi, molekul yang dipanaskan dapat berakselerasi cukup untuk terbang selamanya. Untuk planet-planet dengan medan gravitasi yang relatif kuat dan atmosfer padat seperti Bumi dan Venus, faktor ini bisa jadi tidak signifikan, tetapi bagi Mars kerugiannya bisa jauh lebih signifikan, dan tampaknya lebih banyak daripada Bumi - sabuk asteroid ada di dekatnya. Faktor ini bertentangan dengan mereka yang menawarkan untuk menjatuhkan asteroid atau komet yang lebih besar di Mars - kita masih perlu menghitung apakah akan ada sesuatu yang tersisa setelah ledakan.



Sulit untuk mengatakan betapa pentingnya peran penting dalam hilangnya atmosfer Mars dimainkan oleh mekanisme dampak. Anda hanya dapat membuat taksiran kasar, tetapi bahkan taksiran kasar yang belum saya temui. Namun, orang tidak boleh lupa bahwa Mars paling menderita, seperti halnya Bulan dan Bumi selama Pemboman Berat Akhir , sekitar 3,8 miliar tahun yang lalu. Tetapi pada tahun-tahun di Mars masih ada atmosfer yang padat, karena sungai mengalir.

Poin penting: semua faktor di atas, medan magnet tidak mempengaruhi sama sekali. Oleh karena itu, Bumi, dalam beberapa miliar tahun, menghadapi nasib Mars dan Venus - penguapan hidrogen yang lengkap, mis. berubah menjadi gurun. Mungkin ada iklan untuk salon SPA atau resor tepi laut - nikmati air cair saat ada kesempatan seperti itu.



Suasana bisa menjadi lebih tipis tanpa meninggalkan planet ini. Ini terjadi ketika gas atmosfer memasuki interaksi kimia atau fisik dengan permukaan. Karbon dan oksigen dapat secara efektif mengikat untuk bereaksi dengan batu. Dipercaya bahwa jika Anda melepaskan semua karbon di Bumi, yang sekarang terhubung dengan endapan hidrokarbon dan batuan karbonat, maka atmosfer kita tidak akan jauh berbeda dari Venus. Karena itu, saya harus mengucapkan terima kasih kepada evolusi mikroorganisme selama jutaan tahun yang telah mengubah Bumi kita menjadi taman yang bermekaran. Hidrogen dan oksigen dapat secara efektif dihilangkan dari atmosfer dengan berubah menjadi air dan membentuk lautan atau gletser, dan semakin jauh dari Matahari, semakin banyak semua jenis gas dapat berubah menjadi es.

Sekarang kembali ke angin matahari dan medan magnet. Angin matahari adalah aliran partikel bermuatan - elektron, proton dan partikel alfa. Partikel memiliki kecepatan yang berbeda dan partikel yang lambat (300-500 km / s) mengatakan "angin matahari lambat", cepat (600-800 km / s) - "angin matahari cepat", dan tentang kecepatan tinggi (900 km / dtk dan lebih tinggi) ) - "radiasi sinar matahari". Matahari juga memancarkan satu ton "radiasi" lain: ultraviolet, x-ray, neutron, hingga gamma, tetapi sekarang kita akan berbicara tentang yang memiliki muatan listrik dan dipengaruhi oleh medan magnet.

Jadi, partikel matahari mengalir dari Matahari menuju Bumi. Pada jarak sekitar 10 jari-jari Bumi, medan magnet kita mulai memengaruhi mereka dan menangkisnya. Semakin rendah energi partikel, semakin efisien mereka dibelokkan oleh medan magnet. Di lokasi pertemuan ini, gelombang kejut terbentuk. Akibatnya, beberapa partikel menyelinap melalui garis magnetik, tetapi menyimpang untuk terbang melewati Bumi, beberapa diserap oleh atmosfer, tetapi sebagian besar berbaris di sepanjang garis magnetik dan bergabung ke dalam aliran torus yang ada dari partikel bermuatan di sekitar Bumi, yang disebut "sabuk radiasi". Hore, planet ini selamat, medan magnet telah melakukan tindakan heroiknya ... Tapi, apa itu? Mengapa kutub kita menjadi merah dan hijau?



Aura adalah pemandangan yang indah, sampai Anda berpikir tentang fisika dari proses yang terjadi di sana. Dan berikut ini terjadi: garis-garis magnetik tidak hanya menangkap partikel matahari, tetapi juga sebagian dari mereka diarahkan ke kutub. Partikel yang baru tiba juga dipercepat oleh medan magnet dan runtuh ke atmosfer bumi. Mereka mengetuk elektron dari atom dan molekul netral, mereka menjadi bermuatan dan bersinar dengan kemarahan. Ion yang bermuatan membentuk medan listrik yang mulai bertindak sebagai akselerator dan mempercepat ion (molekul yang kehilangan elektron), sehingga mereka memperoleh kecepatan kosmik kedua dan meninggalkan planet. Inilah bagaimana proses disipasi elektromagnetik terjadi, dari mana medan magnet seharusnya menyelamatkan kita. Ingat hidrogen dan helium terbang jauh dari Bumi? Tambahkan oksigen di sini juga,yang terlalu berat untuk disipasi termal, dan terbang dari Bumi hanya karena medan magnet yang "baik" dan "peduli". Volume kehilangan oksigen dari setiap malam yang indah di wilayah kutub belum diketahui, tetapi faktanya sendiri sudahdibuktikan oleh satelit Cluster Eropa.



Apa yang akan terjadi jika sebuah planet tanpa medan magnet terkena dampak angin matahari? Semuanya akan lebih dramatis di sini - partikel matahari akan dengan bebas mendekati planet ini pada jarak satu setengah diameternya, dan akan mulai membombardir lapisan atas atmosfernya. Molekul gas akan mulai kehilangan elektron, mendapatkan muatan dan ... mengusir arus angin matahari dengan muatan yang sama. Itu di sini juga, gelombang kejut akan terbentuk, seperti halnya dengan medan magnet, yang tidak akan membiarkan sebagian besar partikel matahari mendekat. Berkat efek ini, Venus tidak kehilangan atmosfernya yang sangat padat, lebih dekat ke Matahari daripada Bumi atau Mars.



Sejauh ini, para ilmuwan tidak dapat mengatakan seberapa signifikan kontribusi disipasi elektromagnetik terhadap degradasi atmosfer Mars. Untuk menjawab pertanyaan ini, satelit MAVEN dikirim ke Mars. Sementara itu, beberapa fakta diketahui tentang hilangnya atmosfer Mars:

• Sekarang kurang dari 1 ton atmosfer hilang per hari - wahana antariksa Mars Express menemukan , tetapi pengukuran dilakukan pada minimum matahari;
• dari saat planet ini terbentuk hingga hari ini, Mars telah kehilangan banyak hidrogen dari atmosfer yang dapat terkandung di laut sedalam 110 meter, yang meliputi seluruh planet - para astronom Observatorium Selatan Eropa mempelajari hal ini dengan menganalisis perubahan rasio isotop hidrogen ringan dan berat di atmosfer Mars;
• , 25
• 100 Mars Express — , . , 100 3,5 , 10 .
• , , , 3 , , 30 .

Ternyata para ilmuwan saat ini hanya menebak-nebak tentang mekanisme yang menyebabkan hilangnya 1/3 dari seluruh atmosfer Mars, dan tidak tahu di mana lagi 2/3 terjadi. Tidak diketahui berapa banyak mekanisme elektromagnetik (angin matahari), hidrostatik (letusan kuat dari supervolcanoes) dan dampak (disipasi asteroid) berkontribusi terhadap hilangnya ini. Pada saat yang sama, kontribusi angin matahari untuk menipisnya atmosfer sekarang sedang dipelajari dan di tahun-tahun mendatang akan ada jawaban yang lebih spesifik untuk pertanyaan ini, dan gunung berapi dan asteroid dapat dikecualikan dari faktor-faktor penting dari degradasi atmosfer Mars.

Untuk meringkas: contoh Venus menunjukkan bahwa angin matahari bukanlah faktor penentu dalam volatilitas atmosfer. Bagi Mars, efeknya sekitar empat kali lebih kuat. Beberapa faktor yang dapat menyebabkan hilangnya atmosfer Mars di masa lalu tidak signifikan saat ini: jatuhnya asteroid dan letusan gunung berapi yang kuat. Radiasi termal Matahari, karena lokasi terpencil Mars, juga bukan merupakan faktor penentu dalam pembuangan, setidaknya sekarang karena praktis tidak ada hidrogen dan helium cahaya di atmosfer. Karena itu, yang tersisa bagi kita untuk mengubah Mars menjadi taman berbunga adalah menunggu hasil satelit MAVEN dan menemukan beberapa miliar exajoule energi untuk secara ajaib mengisi atmosfer Mars dengan gas yang tidak dikenal.Dan sihir apa yang bisa diterapkan di sini kita akan berbicara dalam edisi berikutnya "Applied Terraforming". Jangan beralih.

Source: https://habr.com/ru/post/id384695/