Який тиск атмосфери на Марсі

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

В останні роки різко змінилися наші уявлення про величину атмосферного тиску на Марсі. Якщо за фотометричними спостереженнями тиск у поверхні Марса виходив рівним приблизно 80 мбар, то проведені в останні роки численні спектральні визначення тиску дають значення між 10 і 30 мбар.

Інше незалежне визначення тиску було зроблено космічним зондом «Марінер-4». Під час заходу за диск планети радіосигнали зонда «просвічували» атмосферу Марса. Потрапляючи з космічного простору в більш щільну атмосферу, радіохвилі змінювали фазу, частоту і амплітуду. За величиною цих змін можна було визначити заломлюючу здатність атмосфери, а звідси (роблячи ті чи інші припущення про хімічний склад атмосфери) — щільність і повний тиск. Тиск на денній стороні планети (при заході зонда за диск) дорівнює 4,9 мбар, а висота однорідної атмосфери — 9 км. На нічній стороні (при виході зонда через диска) тиск виявився дещо більшим – 8,4 мбар, а висота однорідної атмосфери — 12 км. Цю відмінність намагалися пояснити неточностями вимірювань на нічній стороні або ж тим, що «денна» і «нічна» області атмосфери, просвічені зондом, розташовані над ділянками поверхні різної висоти.

Є протиріччя і між даними «Маринера-4» і результатами спектральних визначень тиску. При всьому розкиді спектральних даних, вони не дають таких низьких значень, які отримав «Маринер-4». Чому?

На це питання нещодавно спробували відповісти американські вчені Дж. Гаррінгтон, М. Гроссі та Б. Лангуорті. При оцінці тиску по заломлюючій здатності нижньої атмосфери, виміряної «Марінером-4», вважалося, що заломлююча здатність визначається тільки нейтральним газом, а роль іонізованої складової атмосфери зневажливо мала. Для того щоб розділити внесок, що вноситься іонізованими шарами і нейтральною атмосферою, можна скористатися тим, що заломлення радіосигналу, викликане обома складовими, протилежно за знаком. Але зробити це можна лише, якщо радіопросвічування проводиться, принаймні, на двох частотах, а не на одній, як у випадку «Маринера-4».

Харрінгтон і його колеги припустили, що заломлююча дія нижньої атмосфери обумовлена не тільки нейтральним газом, але і додатковим низько розташованим іонізованим шаром. Заломлення, викликане цим шаром, протилежне за знаком заломленню, створюваному нейтральним газом. Тому сумарне заломлення стає дещо меншим, ніж якщо іонізованого шару немає, і атмосфера фіктивно здається менш щільною.

Автори експерименту з «Марінером-4» вже виявили один іонізований шар на великих висотах (120-125 км), електронна концентрація якого дорівнює 10⁵ ел\см³. На такій висоті щільність нейтральної атмосфери дуже мала, і все заломлення – викликане майже виключно іоносферою. Однак в існуванні другого, низького шару іонізації нічого неможливого немає. Атмосфера Марса дуже тонка, тому іонізуюче ультрафіолетове випромінювання Сонця проходить її майже наскрізь. Можливо, що воно затримується так званим фіолетовим шаром, але висота цього шару точно не відома, цілком ймовірно, він розташовується не дуже високо над поверхнею.

Харрінгтон, Гроссі та Лангуорті побудували кілька моделей атмосфери Марса, які відповідають вимірюваній заломлюючій здатності так само добре, як і початкова модель, запропонована авторами експерименту «Марінер-4». Якщо припустити, наприклад, що на висоті 15 км розташований іонізований шар з електронною концентрацією 3 * 10⁴ ел/см³, то повний тиск нейтральної атмосфери може дорівнювати не 4,9, а 7,3 мбар, і висота однорідної атмосфери не 9, а 11 км. Така атмосфера може складатися, наприклад, з 40% аргону, 30% азоту і 30% вуглекислоти. Якщо концентрація іонізованого шару 9 * 10⁴ ел/см³, то тиск дорівнюватиме 10 мбар, висота однорідної атмосфери — 15 км, а склад атмосфери може бути наступним: 45% аргону, 30% азоту і 25% вуглекислоти. В останньому варіанті тиск вже відповідає спектральним вимірам, і розбіжність, що бентежить нас зникає.

Жодну з цих моделей, звичайно, не можна вважати остаточною, але всі вони показують, що результати «Марінера-4» можна витлумачити по-різному. Можна, зокрема, підбираючи висоту і електронну концентрацію в додатковому шарі, отримати і ще більш високі тиски (при цьому, звичайно, електронні концентрації не повинні перевищувати тієї величини, яку може створити ультрафіолетове випромінювання на відстані Марса). Для однозначного вирішення питання необхідні додаткові експерименти.

Харрінгтон і його колеги по-новому підійшли і до відмінностей в тиску «нічної» та «денної» атмосфер. Чи не пов’язаний більш високий «нічний» тиск з тим, що вночі додатковий іоносферний шар внаслідок рекомбінації іонів сильно зменшується або зовсім зникає? У цьому випадку радіосигнал заломлюється лише нейтральною атмосферою, і удаваного зменшення заломлюючої здатності не відбувається. Якщо це так, то «нічний» тиск (8,4 мбар) набагато ближче до істинного, ніж «денний».

Питання, таким чином, залишається відкритим. Можна сподіватися, що це буде вирішено під час наступних польотів на Марс.

Автор: К. А. Любарский.