Iklim Mars: Kembali ke Masa Depan

Suatu tempat di orbit Mars setelah 50 juta tahun.

Sampai baru-baru ini, iklim planet-planet tata surya dianggap praktis tidak berubah: hanya pada tahun 1920 Milutin Milankovich mengusulkan gagasan bahwa perubahan eksentrisitas orbit, kecenderungan sumbu rotasi Bumi dan presesi menyebabkan total perubahan iklim siklikal (pada kenyataannya, asumsi serupa dibuat sebelum dia, tetapi kurangnya data tidak memungkinkan untuk merumuskan aturan ini dengan benar sebelumnya). Keteraturan ini dinamai untuk menghormati pengarangnya - siklus Milankovich . Pada tahun 1950, Dirk Brauer dan Adrianus Van Voerkam menyarankan bahwa eksentrisitas orbit Mars juga berubah seiring waktu, yang mengarah pada perubahan iklimnya. Tetapi pada saat itu tidak mungkin untuk mengkonfirmasi atau membantah - sampai penerbangan Mars, penyelidikan Bumi pertama Mariner-4 tetap 15 tahun lagi.

Terima kasih kepada teman baik saya Dilyara Sadrieva , Anda dapat menonton artikel ini dalam format video.

Namun, bahkan misi penerbangan pertama mentransmisikan gambar dengan kualitas terlalu rendah untuk membuka tabir kerahasiaan tentang masalah ini. Tapi sudah Mariner-9 (yang merupakan yang pertama memasuki orbit Mars di antara probe bumi dan bekerja di sana dari 14 November 1971 hingga 27 Oktober 1972) berhasil mentransmisikan lebih dari 7 ribu gambar berkualitas baik dengan resolusi 100-1000 meter per piksel. Bagi para penggemar Aelita Alexei Tolstoy dan War of the Worlds Herbert Wells, berita itu ternyata mengecewakan: saluran yang dibuka oleh Giovanni Schiaparelli di Mars ternyata hanyalah ilusi optik, dan Mars sendiri tampak bagi manusia sebagai gurun yang tak bernyawa. Perbedaan suhu di planet ini berkisar dari -143 ° C di kutub di musim dingin hingga + 35 ° C di hari yang cerah di khatulistiwa di musim panas, dan tekanan atmosfer di sebagian besar planet ini sangat rendah sehingga es air berubah menjadi uap dan sebaliknya melewati fase cair.


Jejak pertama dari inkonsistensi iklim Mars diperoleh oleh Mariner-9: struktur berlapis dari kutub terlihat jelas dari sudut kanan atas gambar ke pusat bagian bawahnya terlihat jelas dalam gambar.

Namun, ada kabar baik: perangkat itu berhasil menangkap lebih dari 70% permukaan Mars, termasuk tutup kutub. Hampir tidak ada kawah yang diamati pada mereka, yang bersaksi untuk usia muda mereka (diperkirakan 20 juta tahun). Juga di mana-mana, mulai dari paralel ke-80 dan ke kutub, struktur berlapis diperbaiki - ini berarti bahwa tutup kutub Mars tidak hanya formasi yang sangat muda, tetapi juga secara berkala berubah selama periode ini. Teori variabilitas iklim Mars mulai dikonfirmasi.



Simulasi pertama memberikan perubahan eksentrisitas di kisaran 0,004-0,141, yang hampir bertepatan dengan perkiraan modern 0-0,16. Nilai eksentrisitas Mars saat ini diperkirakan 0,0934 - masih merupakan nilai yang sangat besar dibandingkan dengan 0,0167 di Bumi dan ini merupakan yang kedua setelah Merkurius. Atas dasar pengamatan Tycho Brahe tentang gerakan Mars, Johannes Kepler dapat menyimpulkan bahwa orbit planet-planet itu berbentuk bulat panjang dan bukan bundar, yang kemudian memungkinkannya untuk menyusun tiga hukum terkenalnya .

Siklus perubahan eksentrisitas juga ditentukan dengan benar oleh dua periode 95 ribu dan 2 juta tahun (walaupun karena kesulitan dalam mengukur laju pengendapan batuan di kutub Mars, kesalahan diperkirakan dua urutan besarnya). Tetapi perubahan kecenderungan orbital diperkirakan salah: karena terlalu rendahnya pengaruh presesi pada parameter ini, perhitungan pertama para peneliti hanya memberikan 15-35 ° alih-alih modern 0-80 °.


Animasi presesi sumbu rotasi Bumi. Di Mars, terjadi di arah yang berlawanan.

Terlepas dari kenyataan bahwa Mars memiliki berat hampir 10 kali lebih kecil dari Bumi, siklusnya membutuhkan lebih banyak waktu. Untuk Bumi, siklus presesi membutuhkan waktu 25800 tahun , sedangkan untuk Mars adalah sebanyak 56600 tahun (laju presesi adalah 50,3 detik busur untuk Bumi dan 8,26 detik busur untuk Mars, masing-masing). Sumbu kemiringan Bumi memiliki siklus 41 ribu tahun, dan Mars memiliki 124 ribu siklus. Pendahuluan sumbu rotasi planet menyebabkan efek yang menarik: perubahan bertahap dalam poros rotasi planet yang terkait dengannya mengarah pada fakta bahwa judul bintang "kutub" melewati waktu dari satu ke yang lain. Juga, seiring dengan ini, awal musim secara bertahap “melayang”: di Bumi, mereka mundur 1 hari setiap 70,5 tahun, dan di Mars, sebaliknya, mereka bergeser 1 hari ke depan setiap 83,3 tahun. Tingkat perubahan dalam kasus ini hampir bersamaan karena fakta bahwa tahun Mars itu sendiri 1,8 kali lebih lama dari bumi.


Evolusi topi kutub selatan dari gambar Mars Global Surveyor .

Karena eksentrisitas yang tinggi dari orbit Mars, yang bertepatan di aphelion (titik terluar orbit) dengan musim dingin di belahan bumi selatan, iklim di belahan bumi ini lebih parah, dan tutup kutub selatan secara signifikan lebih besar daripada yang di utara. Di antara fitur-fitur menarik lainnya: panjang hari di Mars adalah 37,4 menit lebih lama dari Bumi, tetapi lebih jauh pemisahannya akan berkurang, karena perlambatan rotasi Mars terjadi pada kecepatan 3 kali lipat lebih kecil dari Bumi, yang dikaitkan dengan massa kecil dari dua satelit Mars dibandingkan dengan bulan kita.

1001 simulasi perubahan kemiringan sumbu rotasi Mars.

Pada tahun 1989, Lascar menemukan bahwa parameter planet-planet terestrial berubah secara acak (terutama karena pengaruh asteroid yang bergerak secara acak, Vest and Ceres, yang dipengaruhi oleh benda-benda dari Sabuk Asteroid). Ini mengarah pada fakta bahwa tidak mungkin untuk secara akurat menentukan perubahan kecenderungan sumbu dan eksentrisitas Mars untuk periode lebih dari 10 juta tahun (periode ini disebut waktu Lyapunov ), dan untuk periode lebih dari 50 juta tahun, menjadi tidak mungkin untuk menentukan distribusi statistik nilai-nilai mereka secara lebih akurat atau kurang. untuk Bumi, interval ini masing-masing adalah 50 dan 250 juta tahun). Tetapi untuk periode dalam 10 juta tahun, karakteristik orbit semua planet di tata surya dapat ditentukan dengan akurasi tinggi.

Studi indikator ini untuk planet lain juga menghasilkan hasil yang sangat menarik : terlepas dari kenyataan bahwa parameter orbit planet raksasa praktis tidak berubah, eksentrisitas mereka berfluktuasi di Mars dan Merkurius dalam rentang yang sangat luas. Dan untuk Merkurius, mereka begitu besar sehingga mereka dapat dengan interval milyaran tahun mengarah pada fakta bahwa ia dapat dikeluarkan dari tata surya ketika semakin dekat ke Venus (probabilitas ini di masa lalu dan tetap di masa depan). Hal ini juga dapat memungkinkan kita untuk melihat secara berbeda pada paradoks Fermi (masalah mengapa kita tidak menemukan jejak kehidupan dari bintang-bintang lain), karena untuk asal usul kehidupan di planet ini ternyata tidak hanya perlu terbentuk di zona layak huni bintangnya, tetapi pada saat yang sama juga berada dalam kondisi semi-stabil dengan planet lain agar tidak jatuh keluar darinya.



Tapi kembali ke Mars. Menurut perkiraan, atmosfir awal Mars memiliki tekanan 6 kali lebih besar dari Bumi saat ini, tetapi sebagai akibat dari pemboman berat akhir oleh asteroid dan komet (yang terjadi 3,8 miliar tahun lalu), Mars kehilangan sebagian besar darinya, mempertahankan tekanan 0,5-1 atmosfer Bumi (500- 1000 mbar ). Tapi sekarang kami mengamati tekanan rata-rata di permukaan Mars hanya 6 mbar - kemana sisanya? Sampai baru-baru ini, alasan utama hilangnya atmosfer Mars dianggap sebagai hilangnya medan magnet di dalamnya, yang dengan demikian tidak lagi menghalangi “hembusan” atmosfer di bawah pengaruh angin matahari.

Tetapi seperti yang ditunjukkan oleh penelitian lebih lanjut, tidak adanya medan magnet, sebaliknya, memperlambat laju pelariannya: kehilangan atmosfer yang diukur oleh satelit MAVEN selama 2 tahun pertama operasinya rata-rata 2.193 ton per tahun. Bahkan jika kita memperhitungkan bahwa pengukuran ini dilakukan berdasarkan penurunan aktivitas Matahari, dan nilai rata-rata akan beberapa kali lebih tinggi, ini masih belum cukup: perkiraan para ilmuwan sebelumnya, berdasarkan tingkat kehilangan 568 ton per tahun di minimum matahari di zaman modern, memberi gambaran umum hilangnya karbon dioksida dari atmosfer dalam jumlah 0,8-43 mbar selama 3,5 miliar tahun sebelumnya. Artinya, mengekstrapolasi perkiraan mereka ke data yang diperoleh MAVEN (yang ternyata 3,86 kali lebih tinggi), kami mendapatkan kebocoran 31-166 mbar untuk periode ini, terhadap minimum yang hilang 500 mbar.


Perubahan tekanan atmosfer selama tahun Mars. Perbedaan dalam kesaksian adalah karena fakta bahwa Viking-2 terletak 900 meter di bawah tingkat rata-rata permukaan Mars daripada rekannya Viking-1.

Apa tersangka lain yang ada? Platform pendaratan Viking menemukan bahwa tanah Mars mengandung proporsi signifikan lempung montmorillonit , yang dapat menyerap sejumlah besar karbon dioksida dari atmosfer. Jadi, selain 4-5 mbar berkeliaran dari kutub ke kutub di kutub (menurut data yang lebih baru, mungkin ada hingga 85 mbar di sana ) dan 6 mbar di atmosfer, diasumsikan bahwa sekitar 300 mbar karbon dioksida dari atmosfer diserap oleh tanah dan 130 lainnya. mbar berubah menjadi karbonat di dalamnya. Perkiraan total cadangan karbon dioksida saat ini di Mars oleh berbagai ilmuwan bervariasi dalam kisaran yang cukup luas: dari ≤200 hingga ≥450 mbar . Namun sebelumnya, mereka bahkan berfluktuasi di kisaran 200-10000 mbar .

Alasan penyebaran ini adalah pengetahuan kita yang buruk tentang struktur internal Planet Merah. Dan sekarang, meskipun kita telah mempelajari dengan cukup baik penutup kutub Mars, serta lapisan permukaan Mars di seluruh area hingga kedalaman beberapa meter, pengetahuan kita tentang struktur internal meninggalkan banyak hal yang diinginkan, karena itulah sebaran perkiraan masih tetap besar. Platform pendaratan InSight , yang mendarat di Mars pada 26 November, harus membuka tirai pada masalah ini. Di atas kapal, InSight adalah seismometer sensitif dan bor lipat 5 meter (dalam hal ini kita tidak akan melakukan analisis kimia tanah, tetapi juga mengukur sifat fisik tanah pada kedalaman seperti itu akan menjadi langkah besar bagi kita).



"Bagaimana semua ini mempengaruhi iklim Mars?" - Anda mungkin bertanya. Intinya di sini adalah bahwa eksentrisitas tergantung pada seberapa dekat planet ini mendekati Matahari dan berapa banyak waktu yang dihabiskan per revolusi dalam posisi ini. Dengan demikian, eksentrisitas mempengaruhi iklim planet secara keseluruhan, dan kemiringan sumbu mempengaruhi distribusi latitudinalnya: ketika sumbu kemiringan planet mencapai nilai 54 °, kutub planet ini mulai menerima jumlah cahaya matahari yang sama dengan khatulistiwa. Dan dengan peningkatan lebih lanjut di lereng - bahkan lebih dari itu. Dengan demikian, iklim di kutub menjadi lebih hangat daripada di khatulistiwa, yang pada gilirannya menyebabkan pencairan lapisan atas dari kutub yang terdiri dari "es kering" (karbon dioksida beku). Dan karena karbon dioksida adalah gas rumah kaca, pelepasannya menyebabkan pemanasan di seluruh planet ini secara keseluruhan.


Grafik puncak suhu tahunan di wilayah kutub menurut sebuah studi 2012. Suhu tertinggi disorot dalam warna hitam, dan rata-rata berwarna merah dan kuning, dan yang terendah berwarna putih (keadaan Mars saat ini ditunjukkan oleh belah ketupat). Kotak biru menunjukkan interval perubahan dalam parameter eksentrisitas dan kemiringan Bumi.

Untuk seluruh rangkaian faktor, parameter optimal untuk memanaskan Mars adalah eksentrisitas rata-rata (0,06-0,08) dan kebetulan perihelion orbit dengan titik balik (0 ° atau 360 °), tetapi secara umum parameter ini memiliki efek yang jauh lebih kecil pada iklim. Nilai saat ini untuk Mars adalah 25,19 ° dari inklinasi sumbu, eksentrisitas adalah 0,0934 dan perihelion adalah 286,502 °. Eksentrisitas orbit Mars sekarang bergerak ke puncaknya di 0,105 (yang akan mencapai setelah 24 ribu tahun), setelah itu akan bergerak kembali ke tingkat 0,002 (yang akan mencapai setelah 100 ribu tahun). Sayangnya, kecenderungan Mars sekarang dalam fase tenangnya, mendekati siklus minimal 2 juta tahun, dan dalam waktu dekat tidak berencana untuk naik di atas 36 °. Jadi Mars di masa yang akan datang bagi kita harus tetap menjadi gurun yang tak berujung.


Angin puyuh pasir ditangkap oleh penjelajah Spirit pada 15 Mei 2005. Gif menampilkan proses pergerakan vortex dalam 9,5 menit (interval antara frame sekitar setengah menit).

Namun, ini tidak berarti bahwa iklim Mars tidak akan berubah dalam waktu dekat. Lebih tepatnya, ia berubah sekarang: dari saat ia menerima informasi terbaru dari Viking pada 1977 hingga saat ia menerima data pertama dari penyelidikan Mars Global Surveyor pada 1999, suhu permukaan Mars naik 0,86 ° C. Proses ini tidak secara langsung terkait dengan fenomena yang dijelaskan di atas - para ilmuwan menemukan penjelasan untuk itu dalam perubahan albedo Mars (tingkat reflektifitas permukaannya), yang, ternyata selama 22 tahun terakhir, telah berubah lebih dari 10% naik atau turun pada sepertiga permukaan Mars.

Perubahan ini tidak meramalkan membuat terraforming Mars lebih sederhana, karena menurut perkiraan awal para ilmuwan perlu menaikkan suhu permukaan sebanyak 25 ° C - jika tidak, setelah menghilangkan pengaruh eksternal, Mars akan kembali ke keadaan dingin aslinya. Perubahan di Albedo Mars itu sendiri kemungkinan besar terkait dengan badai debu, dan seperti dapat dilihat dalam gambar, tutup kutub selatan ( terbentuk selama periode tahun ketika badai debu global terjadi di Mars) menjadi lebih "kotor" daripada yang utara.



Sekarang data ini dibangun hanya pada dua titik waktu dan masih terlalu dini untuk membicarakan pola apa pun. Namun, studi tentang siklus perubahan eksentrisitas dan kecenderungan juga menunjukkan bahwa pemanasan global sedang terjadi di Mars saat ini, tetapi terjadi pada tingkat yang jauh lebih rendah:


Garis biru adalah suhu di mana permafrost mulai mencair di Kawah Gale, yang terletak 5 ° selatan khatulistiwa (diperoleh dari Curiosity ).

Apa yang bisa memberi kita puncak kecil ini pada grafik, yang saat ini kita bergerak? Secara umum, sedikit. Dengan peningkatan suhu rata-rata di Mars, pemanasan global juga harus terjadi di sana, seperti di Bumi: pada tekanan atmosfer 6,1 mbar dan suhu 158 ° K, hingga 11 cm³ karbon dioksida per 1 gram tanah dapat diserap di tanah Mars, tetapi pada suhu pada 196 ° K, saturasi sudah terjadi pada 3,5 cm³ per gram. Dengan demikian, memanaskan tanah akan menyebabkan pelepasan gas rumah kaca yang terkumpul di dalamnya. Namun, secara umum, dari kenaikan kecil dalam suhu rata-rata ini, efeknya sendiri tidak akan signifikan. Selain itu, karena konduktivitas termal tanah yang terbatas, pemanasannya tidak terjadi secara instan, tetapi pada kecepatan sekitar 1 meter per tahun, sehingga puncak-puncak sempit ini tidak punya waktu untuk menghangatkan Mars ke kedalaman yang cukup dan menyebabkan pelepasan volume signifikan karbon dioksida.


Suspensi debu di atmosfer Mars menjadikan langitnya kebalikan dari bumi.

Selain pelepasan gas dari tanah, efek pemanasan lain mungkin terjadi: dengan peningkatan tekanan atmosfer yang signifikan, badai debu global Mars yang terkenal, menurut para ilmuwan, akan sia-sia. Ini juga harus meningkatkan suhu rata-rata di planet ini, karena badai ini dapat menutupi seluruh planet selama beberapa bulan hingga enam bulan, yang memantulkan sebagian cahaya kembali ke angkasa. Tetapi mungkin konsekuensi yang lebih penting dari ini adalah bahwa, menurut penelitian baru-baru ini, badai ini adalah sumber perklorat di Mars, yang dalam konsentrasi tinggi beracun bagi manusia dan sebagian besar bentuk kehidupan di Bumi (termasuk tanaman). Dengan demikian, pemanasan iklim di Planet Merah dapat secara langsung berfungsi untuk meningkatkan kesuburan tanahnya. Namun, efek ini membutuhkan pemanasan yang jauh lebih besar daripada yang akan dicapai dalam siklus peningkatan suhu saat ini, jadi ini lebih mungkin untuk dibahas dalam konteks terraforming Mars, yang akan dibahas dalam artikel lain.



Di akhir artikel, saya ingin mengundang semua yang tertarik dalam penjelajahan, kolonisasi, dan terraforming Mars untuk berlangganan grup masyarakat Mars di Facebook dan VKontakte , serta bergabung dengan barisan kami atau menjadi koordinator masyarakat Mars di kawasan untuk memberikan kontribusi mereka dalam proses mengubah "Planet Merah" "Biru-hijau. Untuk melakukan ini, Anda dapat menghubungi saya atau Alexei .