Marte Clima: De volta para o futuro

Em algum lugar na órbita de Marte após 50 milhões de anos.

Até recentemente, o clima dos planetas do sistema solar era considerado quase inalterado: somente em 1920 Milutin Milankovich propôs a idéia de que mudanças na excentricidade da órbita, a inclinação do eixo de rotação da Terra e sua precessão causam um total de mudanças climáticas cíclicas (de fato, pressupostos semelhantes foram feitos antes dele, mas a falta de dados não permitiu formular esta regra corretamente anteriormente). Esta regularidade foi nomeada em homenagem ao seu autor - ciclos de Milankovich . Em 1950, Dirk Brauer e Adrianus Van Voerkam sugeriram que a excentricidade da órbita marciana também muda ao longo do tempo, levando a mudanças no clima. Mas naquela época era impossível confirmar ou refutar - até o vôo de Marte, a primeira sonda terrestre Mariner-4 permaneceu por mais 15 anos.

Graças à minha boa amiga Dilyara Sadrieva , você pode assistir a este artigo em formato de vídeo.

No entanto, até as primeiras missões de vôo transmitiram imagens de qualidade muito baixa para abrir o véu de sigilo sobre esse assunto. Mas o Mariner-9 (que foi o primeiro a entrar na órbita marciana entre as sondas terrestres e a trabalhou de 14 de novembro de 1971 a 27 de outubro de 1972) conseguiu transmitir mais de 7 mil imagens de qualidade decente com uma resolução de 100-1000 metros por pixel. Para os fãs de Aelita Alexei Tolstoy e Herbert Wells, a guerra acabou sendo decepcionante: os canais abertos por Giovanni Schiaparelli em Marte acabaram sendo apenas uma ilusão de ótica, e o próprio Marte apareceu para a humanidade como um deserto sem vida. As diferenças de temperatura no planeta variaram de -143 ° C nos pólos no inverno a + 35 ° C em um dia ensolarado no equador no verão, e a pressão atmosférica na maior parte do planeta era tão baixa que o gelo da água se transformou em vapor e vice-versa, ignorando a fase líquida.


Os primeiros traços da inconsistência climática marciana obtida por Mariner-9: a estrutura em camadas das calotas polares claramente visível do canto superior direito da imagem ao centro de sua parte inferior é claramente visível na imagem.

No entanto, houve boas notícias: o dispositivo conseguiu capturar mais de 70% da superfície marciana, incluindo calotas polares. Quase nenhuma cratera foi observada sobre eles, o que testemunhou sua tenra idade (foi estimado em 20 milhões de anos). Também em todos os lugares, a partir do paralelo 80 e dos pólos, uma estrutura em camadas foi fixada - isso significava que as calotas polares de Marte não eram apenas formações muito jovens, mas também periodicamente mudavam durante esse período. A teoria da variabilidade do clima marciano começou a ser confirmada.



As primeiras simulações apresentaram alterações de excentricidade na faixa de 0,004-0,141, que quase coincidiram com estimativas modernas de 0-0,16. O valor atual da excentricidade para Marte é estimado em 0,0934 - ainda é um valor muito grande comparado aos 0,0167 da Terra e fica atrás apenas de Mercúrio. Foi com base nas observações de Tycho Brahe sobre o movimento de Marte que Johannes Kepler conseguiu concluir que as órbitas dos planetas são elípticas e não circulares, o que mais tarde lhe permitiu elaborar suas três leis famosas .

A ciclicidade das mudanças de excentricidade também foi corretamente determinada por dois períodos de 95 mil e 2 milhões de anos (embora devido a dificuldades na medição da taxa de deposição de rochas nas calotas polares de Marte, os erros foram estimados em duas ordens de magnitude). Mas as mudanças na inclinação orbital foram estimadas incorretamente: devido à subestimação da influência da precessão nesse parâmetro, os primeiros cálculos dos pesquisadores deram apenas 15-35 ° em vez do moderno 0-80 °.


Animação da precessão do eixo de rotação da Terra. Em Marte, ocorre na direção oposta.

Apesar de Marte pesar quase 10 vezes menos que a Terra, seus ciclos levam muito mais tempo. Para a Terra, o ciclo de precessão leva 25800 anos , enquanto para Marte é de 56600 anos (a taxa de precessão é de 50,3 segundos de arco para a Terra e 8,26 segundos de arco para Marte, respectivamente). O eixo de inclinação da Terra tem um ciclo de 41 mil anos e Marte tem 124 mil. A precessão do eixo de rotação do planeta leva a efeitos interessantes: a mudança gradual no eixo de rotação do planeta a ele associada leva ao fato de que o título de uma estrela "polar" passa ao longo do tempo de uma para outra. Além disso, junto com isso, o início das estações está gradualmente "flutuando": na Terra, eles retrocedem 1 dia a cada 70,5 anos, e em Marte, pelo contrário, avançam 1 dia a cada 83,3 anos. A taxa de mudança neste caso quase coincide devido ao fato de o próprio ano marciano ser 1,8 vezes maior que o da Terra.


Evolução da calota polar do sul a partir das imagens do Mars Global Surveyor .

Devido à alta excentricidade da órbita marciana, que coincide no afélio (o ponto mais externo da órbita) com o inverno no hemisfério sul, o clima nesse hemisfério é mais severo e a calota polar do sul é significativamente maior que a do norte. Entre outras características interessantes: a duração do dia em Marte é 37,4 minutos mais longa que a da Terra, mas a separação será reduzida, uma vez que a desaceleração da rotação de Marte ocorre a uma velocidade 3 ordens de magnitude menor que a da Terra, que está associada à pequena massa dos dois satélites de Marte em comparação com a Terra. nossa lua.

1001 simulação de mudanças na inclinação do eixo de rotação de Marte.

Em 1989, Lascar descobriu que os parâmetros dos planetas terrestres mudam aleatoriamente (principalmente devido à influência dos asteróides em movimento aleatório Vest e Ceres, que são afetados por objetos do cinturão de asteróides). Isso leva ao fato de que é impossível determinar com precisão as mudanças na inclinação do eixo e na excentricidade de Marte por um período de mais de 10 milhões de anos (este período é chamado tempo de Lyapunov ) e, por um período de mais de 50 milhões de anos, torna-se impossível determinar com mais ou menos precisão a distribuição estatística de seus valores ( para a Terra, esses intervalos são de 50 e 250 milhões de anos, respectivamente). Mas, por períodos dentro de 10 milhões de anos, as características das órbitas de todos os planetas do sistema solar podem ser determinadas com alta precisão.

Os estudos desses indicadores para outros planetas também produziram resultados muito interessantes : apesar de os parâmetros das órbitas de planetas gigantes praticamente não mudarem, suas excentricidades flutuaram em Marte e Mercúrio em uma faixa muito ampla. E para Mercúrio, eles eram tão grandes que poderiam, a intervalos de bilhões de anos, levar ao fato de que ele poderia ser ejetado do sistema solar quando se aproxima de Vênus (essa probabilidade estava no passado e permanece no futuro). Também pode nos permitir dar uma olhada diferente no paradoxo de Fermi (o problema de não encontrar vestígios de vida de outras estrelas), pois, para a origem da vida no planeta, verifica-se que ele não precisa apenas se formar na zona habitável de sua estrela, mas ao mesmo tempo também estar em um estado quase estável com outros planetas para não cair dele.



Mas voltando a Marte. De acordo com estimativas, a atmosfera inicial de Marte teve uma pressão 6 vezes maior que a atual Terra, mas como resultado do bombardeio pesado de asteróides e cometas (que ocorreu 3,8 bilhões de anos atrás), Marte perdeu a maior parte dele, mantendo uma pressão de 0,5 a 1 da atmosfera da Terra (500- 1000 mbar ). Mas agora estamos observando uma pressão média na superfície marciana de apenas 6 mbar - para onde foi o resto? Até recentemente, a principal razão para a perda da atmosfera marciana era considerada o desaparecimento de um campo magnético, o que deixava de impedir o "sopro" da atmosfera sob a influência do vento solar.

Porém, como estudos posteriores demonstraram, a ausência de um campo magnético diminui a taxa de fuga: a perda atmosférica medida pelo satélite MAVEN nos primeiros 2 anos de operação foi em média de 2193 toneladas por ano. Mesmo se levarmos em conta que essas medições foram realizadas com um declínio na atividade solar, e o valor médio será várias vezes maior, isso ainda não é suficiente: as estimativas anteriores dos cientistas, baseadas no nível de perdas de 568 toneladas por ano no mínimo solar nos tempos modernos, deram uma geral perda de dióxido de carbono da atmosfera na quantidade de 0,8-43 mbar nos 3,5 bilhões de anos anteriores. Ou seja, extrapolando suas estimativas para os dados obtidos pelo MAVEN (que se mostraram 3,86 vezes maiores), obtemos um vazamento de 31-166 mbar nesse período, contra o mínimo de 500 mbar faltando.


Mudança na pressão atmosférica durante o ano marciano. A diferença no testemunho se deve ao fato de o Viking-2 estar localizado a 900 metros abaixo do nível médio da superfície marciana do que seu equivalente no Viking-1.

Que outros suspeitos existem? As plataformas de aterrissagem da Viking descobriram que o solo marciano contém uma proporção significativa de argilas de montmorilonita , que podem absorver uma quantidade significativa de dióxido de carbono da atmosfera. Assim, além de 4-5 mbar vagando de pólo a pólo nas calotas polares (de acordo com dados mais recentes, pode haver até 85 mbar lá ) e 6 mbar na atmosfera, supõe-se que cerca de 300 mbar de dióxido de carbono da atmosfera tenham sido absorvidos pelo solo e outros 130 mbar se transformou em carbonatos nele. As estimativas das reservas totais atuais de dióxido de carbono em Marte por vários cientistas variam dentro de uma faixa bastante ampla: de ≤200 a ≥450 mbar . Mas antes, eles até flutuavam na faixa de 200 a 10000 mbar .

A razão para essa dispersão foi o nosso pobre conhecimento da estrutura interna do Planeta Vermelho. E agora, embora tenhamos estudado muito bem as calotas polares de Marte, bem como as camadas superficiais de Marte em toda a sua área até uma profundidade de alguns metros, nosso conhecimento de sua estrutura interna deixa muito a desejar, e é por isso que a dispersão de estimativas ainda permanece grande. A plataforma de pouso InSight , que aterrissou em Marte em 26 de novembro, deve abrir a cortina sobre esse problema. A bordo do InSight, há um sismômetro sensível e uma broca dobrável de 5 metros (neste caso, não vamos realizar análises químicas do solo, mas também medir as propriedades físicas do solo em tais profundidades será um grande passo adiante).



"Como tudo isso afeta o clima marciano?" - você pode perguntar. O ponto aqui é que a excentricidade depende de quão perto o planeta se aproxima do Sol e de quanto tempo gasta por revolução nesta posição. Assim, a excentricidade afeta o clima do planeta como um todo e a inclinação do eixo afeta sua distribuição latitudinal: quando o eixo de inclinação do planeta atinge o valor de 54 °, os pólos do planeta começam a receber a mesma quantidade de luz solar do equador. E com um aumento adicional na inclinação - ainda mais que isso. Assim, o clima nos pólos se torna mais quente do que no equador, o que, por sua vez, leva ao derretimento da camada superior das calotas polares que consiste em "gelo seco" (dióxido de carbono congelado). E como o dióxido de carbono é um gás de efeito estufa, sua liberação causa aquecimento em todo o planeta como um todo.


Gráfico de picos anuais de temperatura nas regiões das calotas polares, de acordo com um estudo de 2012. As temperaturas mais altas são destacadas em preto, e as médias são vermelhas e amarelas e as mais baixas são brancas (o estado atual de Marte é indicado pelo losango). O retângulo azul indica o intervalo de mudanças nos parâmetros de excentricidade e inclinação da Terra.

Para todo o conjunto de fatores, os parâmetros ideais para o aquecimento de Marte são o valor médio da excentricidade (0,06-0,08) e a coincidência do periélio da órbita com o equinócio (0 ° ou 360 °), mas, em geral, esses parâmetros têm um efeito muito menor no clima. Os valores atuais para Marte são 25,19 ° da inclinação do eixo, a excentricidade é 0,0934 e o periélio é 286,502 °. A excentricidade da órbita de Marte agora está atingindo seu pico em 0,105 (que deve atingir 24 mil anos), após o que retornará à taxa de 0,002 (que atingirá após 100 mil anos). Infelizmente, a inclinação de Marte está agora em sua fase calma, perto do mínimo do ciclo de 2 milhões de anos, e em um futuro próximo não planeja subir acima de 36 °. Portanto, Marte no futuro próximo para nós deve permanecer um deserto sem fim.


O turbilhão de areia capturado pelo veículo espacial Spirit em 15 de maio de 2005. Gif exibe o processo de movimento do vórtice em 9,5 minutos (o intervalo entre os quadros é de cerca de meio minuto).

No entanto, isso não significa que o clima de Marte não mudará no futuro próximo. Mais precisamente, está mudando agora: desde o momento em que recebeu as informações mais recentes dos vikings em 1977 até o momento em que recebeu os primeiros dados da sonda Mars Global Surveyor em 1999, a temperatura da superfície marciana aumentou 0,86 ° C. Esse processo não está diretamente relacionado aos fenômenos descritos acima - os cientistas encontraram uma explicação para isso na mudança no albedo de Marte (o grau de refletividade de sua superfície), que, como se constatou nos últimos 22 anos, mudou mais de 10% em um terço da superfície marciana.

Essa mudança não prevê tornar a terraformação de Marte muito mais simples, pois de acordo com estimativas preliminares dos cientistas, ele precisa aumentar a temperatura da superfície em até 25 ° C - caso contrário, após remover a influência externa, Marte retornará ao seu estado frio original. A mudança no próprio albedo de Marte está provavelmente associada a tempestades de poeira e, como pode ser visto nas fotos, a calota polar do sul ( formada durante o período do ano em que ocorre uma tempestade de poeira global em Marte) fica mais "suja" do que a do norte.



Agora, esses dados são construídos em apenas dois momentos e é muito cedo para falar sobre quaisquer padrões. No entanto, estudos de ciclos de mudanças na excentricidade e inclinação também sugerem que o aquecimento global está acontecendo em Marte agora, mas está ocorrendo em uma taxa muito menor:


A linha azul é a temperatura na qual o permafrost começa a derreter na Cratera Gale, localizada a 5 ° ao sul do equador (obtida da Curiosity ).

O que pode nos dar esse pequeno pico no gráfico, para o qual estamos passando agora? De um modo geral, um pouco. Com o aumento da temperatura média em Marte, o aquecimento global também deve ocorrer lá, como na Terra: a uma pressão atmosférica de 6,1 mbar e a uma temperatura de 158 ° K, até 11 cm³ de dióxido de carbono por 1 grama de solo podem ser adsorvidos no solo marciano, mas a uma temperatura a 196 ° K, a saturação já ocorre a 3,5 cm³ por grama. Assim, o aquecimento do solo causará a liberação de gases de efeito estufa acumulados nele. No entanto, em geral, a partir deste pequeno aumento na temperatura média, o efeito em si será insignificante. Além disso, devido à condutividade térmica limitada do solo, seu aquecimento não ocorre instantaneamente, mas a uma velocidade de cerca de 1 metro por ano, para que esses picos estreitos não tenham tempo para aquecer Marte a uma profundidade considerável e causem a liberação de volumes significativos de dióxido de carbono.


Uma suspensão de poeira na atmosfera marciana torna seu céu o oposto da terra.

Além da liberação de gases do solo, outro efeito de aquecimento é possível: com um aumento significativo da pressão atmosférica, as famosas tempestades globais de poeira de Marte, segundo os cientistas, devem chegar a nada. Também deve aumentar a temperatura média no planeta, pois essas tempestades podem cobrir o planeta inteiro por um período de vários meses na Terra a seis meses, refletindo parte da luz de volta ao espaço. Mas talvez uma conseqüência ainda mais importante disso seja que, de acordo com outro estudo recente, essas tempestades são uma fonte de percloratos em Marte, que em altas concentrações são tóxicas para os seres humanos e para a maioria das formas de vida na Terra (incluindo plantas). Assim, o aquecimento climático no Planeta Vermelho pode servir diretamente para aumentar a fertilidade de seu solo. No entanto, esse efeito requer significativamente mais aquecimento do que o alcançado no atual ciclo de aumento de temperatura; portanto, é mais provável que isso seja discutido no contexto da terraformação de Marte, que será discutido em outro artigo.



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