Каково давление атмосферы на Марсе

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В последние годы резко изменились наши представления о величине атмосферного давления на Марсе. Если по фотометрическим наблюдениям давление у поверхности Марса получалось равным примерно 80 мбар, то проведенные в последние годы многочисленные спектральные определения давления дают значения между 10 и 30 мбар.

Другое независимое определение давления было сделано космическим зондом «Маринер-4». Во время захода за диск планеты радиосигналы зонда «просвечивали» атмосферу Марса. Попадая из космического пространства в более плотную атмосферу, радиоволны изменяли фазу, частоту и амплитуду. По величине этих изменений можно было определить преломляющую способность атмосферы, а отсюда (делая те или иные предположения о химическом составе атмосферы) — плотность и полное давление. Давление на дневной стороне планеты (при заходе зонда за диск) равно 4,9 мбар, а высота однородной атмосферы — 9 км. На ночной стороне (при выходе зонда из-за диска) давление оказалось несколько большим — 8,4 мбар, а высота однородной атмосферы — 12 км. Это различие пытались объяснить неточностями измерений на ночной стороне или же тем, что «дневная» и «ночная» области атмосферы, просвеченные зондом, расположены над участками поверхности разной высоты.

Имеется противоречие и между данными «Маринера-4» и результатами спектральных определений давления. При всем разбросе спектральных данных, они не дают столь низких значений, какие получил «Маринер-4». Почему?

На этот вопрос недавно попытались ответить американские ученые Дж. Харрингтон, М. Гросси и Б. Лангуорти. При оценке давления по преломляющей способности нижней атмосферы, измеренной «Маринером-4», считалось, что преломляющая способность определяется только нейтральным газом, а роль ионизованной составляющей атмосферы пренебрежимо мала. Для того чтобы разделить вклад, вносимый ионизованными слоями и нейтральной атмосферой, можно воспользоваться тем, что преломление радиосигнала, вызванное обеими составляющими, противоположно по знаку. Но сделать это можно лишь, если радиопросвечивание производится, по крайней мере, на двух частотах, а не на одной, как в случае «Маринера-4».

Харрингтон и его коллеги предположили, что преломляющее действие нижней атмосферы обусловлено не только нейтральным газом, но и дополнительным низко расположенным ионизованным слоем. Преломление, вызванное этим слоем, противоположно по знаку преломлению, создаваемому нейтральным газом. Поэтому суммарное преломление становится несколько меньшим, чем если ионизованного слоя нет, и атмосфера фиктивно кажется менее плотной.

Авторы эксперимента с «Маринером-4» уже обнаружили один ионизованный слой на больших высотах (120—125 км), электронная концентрация которого равна 105 эл\см³. На такой высоте плотность нейтральной атмосферы очень мала, и все преломление — вызвано почти исключительно ионосферой. Однако в существовании второго, низкого слоя ионизации ничего невозможного нет. Атмосфера Марса очень тонка, поэтому ионизующее ультрафиолетовое излучение Солнца проходит ее почти насквозь. Возможно, что оно задерживается так называемым фиолетовым слоем, но высота этого слоя точно не известна, по всей вероятности, он располагается не очень высоко над поверхностью.

Харрингтон, Гросси и Лангуорти построили несколько моделей атмосферы Марса, которые соответствуют измеренной преломляющей способности столь же хорошо, как и первоначальная модель, предложенная авторами эксперимента с «Маринером-4». Если предположить, например, что на высоте 15 км расположен ионизованный слой с электронной концентрацией 3 * 10⁴ эл/см³, то полное давление нейтральной атмосферы может быть равно не 4,9, а 7,3 мбар, и высота однородной атмосферы не 9, а 11 км. Такая атмосфера может состоять, например, из 40% аргона, 30% азота и 30% углекислоты. Если концентрация ионизованного слоя 9 * 10⁴ эл/см³, то давление будет равно 10 мбар, высота однородной атмосферы — 15 км, а состав атмосферы может быть следующим: 45% аргона, 30% азота и 25% углекислоты. В последнем варианте давление уже соответствует спектральным измерениям, и смущавшее нас разногласие исчезает.

Ни одну из этих моделей, конечно, нельзя считать окончательной, но все они показывают, что результаты «Маринера-4» можно истолковать по-разному. Можно, в частности, подбирая высоту и электронную концентрацию в добавочном слое, получить и еще более высокие давления (при этом, конечно, электронные концентрации не должны превышать той величины, которую может создать ультрафиолетовое излучение на расстоянии Марса). Для однозначного решения вопроса необходимы добавочные эксперименты.

Харрингтон и его коллеги по-новому подошли и к различиям в давлении «ночной» и «дневной» атмосфер. Не связано ли более высокое «ночное» давление с тем, что ночью добавочный ионосферный слой вследствие рекомбинации ионов сильно уменьшается или совсем исчезает? В этом случае радиосигнал преломляется лишь нейтральной атмосферой, и кажущегося уменьшения преломляющей способности не происходит. Если это так, то «ночное» давление (8,4 мбар) гораздо ближе к истинному, чем «дневное».

Вопрос, таким образом, остается открытым. Можно надеяться, что он будет решен при следующих полетах к Марсу.

Автор: К. А. Любарский.