«Викинги» на Марсе

Кондратьев Кирилл Яковлевич

Третья интерпретация исходит из некорректности данных «Марса-6» и предположения, что действительное содержание аргона в атмосфере Марса значительно меньше. Все это свидетельствует о крайней неполноте существующих представлений об эволюции марсианской атмосферы и необходимости дальнейших исследований содержания инертных газов. Противоречивые данные АМС «Марс-6» и «Викинг-1, -2» являются наглядным подтверждением этого вывода.

В связи с проблемой эволюции атмосферы Марса Хюгенин [49] привлек внимание к тому, что происходящая на Марсе окислительная эрозия, которая стимулируется фотодиссоциацией, необратимо удаляет из атмосферы кислород и водород со скоростью от 10⁸ до 10¹¹ молекул/(см²·с), что соответствует суммарной потере водяного пара от 10²⁵ до 10²⁸ молекул/см² (10²— 10⁵

г/см²), если предполагать неизменность скорости этого процесса в геологическом прошлом. Дополнительное количество Н₂О удаляется в результате гидратации Fe₂O₃ и глинистых минералов, но эти потери обратимы. Углекислый газ необратимо удаляется из атмосферы при образовании СаСО₃ со скоростью 10⁷—10¹⁰ молекул/(см²·с), что эквивалентно суммарной потере 10²⁴— 10²⁷ молекул/см² (10–10⁴ г/см²).

Ранее предполагалось, что основным стоком для летучих компонентов является диссипация через атмосферу, обусловливающая потери всего лишь 10² г/см² водяного пара и 10⁰ г/см² углекислого газа за период геологического прошлого планеты. Недавнее обнаружение по данным СА «Марс-6» значительного количества аргона в атмосфере Марса допускает возможность того, что потери водяного пара и углекислого газа могли достичь 10⁵ и 10⁴ г/см² соответственно. Если количество водяного пара и углекислого газа, удаляемые за счет стимулируемой фотодиссоциацией окислительной эрозии, близки к упомянутым верхним пределам, возможно, что химическая эрозия оказывала главное влияние как фактор, ограничивающий поступление водяного пара и углекислого газа при аккумуляции их реголитом и полярными шапками.

В рамках научной программы АМС «Викинг» предприняты четыре вида измерений, имеющих важное значение с точки зрения решения остающейся открытой проблемы баланса летучих компонент на Марсе [33]. Это измерения температуры в зонах полярных шапок, содержания водяного пара, атмосферного давления и масс-спектрометрические измерения концентрации различных изотопов. Согласно имеющимся данным температура в зонах полярных шапок слишком высока, чтобы существовала возможность постоянного наличия твердой углекислоты. В связи с этим было показано, что допустимо наличие постоянных полярных шапок из льдообразного соединения — водного клатрата углекислоты СО₂·6Н₂О, вариации содержания которого могут регулировать атмосферное давление.

Если с орбитальных аппаратов АМС «Викинг» удастся осуществить регистрацию температуры полярных зон в течение целого марсианского года, это откроет возможность решить вопрос о том, состоят ли полярные шапки из клатрата, чисто льда или чистой твердой углекислоты. Для решения этой задачи важны также данные о содержании водяного пара в атмосфере.

Поскольку ранее были высказаны соображения о возможности объяснения наблюдаемых вариаций давления как обусловленных изменениями количества углекислого газа, адсорбированного реголитом, существенную роль должны сыграть измерения давления с орбитальных и спускаемых аппаратов. Масс-спектрометры, установленные на СА, позволят определить изотопный состав атмосферы, почвы и, возможно, отложений инея на поверхности. Если действительно существует резервуар связанного углекислого газа (адсорбция его реголитом), следует ожидать пониженного содержания изотопов ¹³С, ¹⁸О и ²Н в атмосферном водяном паре и углекислом газе.

9. Метеорологические наблюдения

В работах [41–46] описана программа метеорологических измерений, которая была реализована на спускаемых аппаратах АМС «Викинг» и включала измерения температуры воздуха, скорости ветра и атмосферного давления. Скорость и направление ветра измерялись при помощи термоанемометра с двумя ортогонально расположенными в горизонтальной плоскости пленочными датчиками. Для дублирования и однозначности определения направления ветра использовалась также система четырех термопар, расположенных по углам квадрата. Температура воздуха измерялась при помощи нескольких термопар, показания которых привязывались к показаниям контрольной термопары, находящейся внутри корпуса СА.

Все датчики ветра и температуры установлены в конце выдвижной стрелы на расстоянии не меньше 0,61 м от корпуса СА и на высоте 1,6 м над марсианской поверхностью (см. рис. 12). Испытания в аэродинамической трубе показали, что точность измерений скорости ветра более 2 м/с должна быть не хуже ±15%, направления ветра +10° и температуры ±1,5°С. Влияние корпуса СА может несколько сказываться лишь на определении ветра при азимутах 260° и 340° (по отношению к направлению на север). Для измерений атмосферного давления использовался датчик, расположенный внутри корпуса СА и обеспечивающий точность около 0,07 мбар.

Измерения в точке посадки (район Chryse: 22,48° с. ш., 48,0° з. д.) начались через 2 ч после посадки СА. В работе [42] рассмотрены данные за несколько первых марсианских суток (24,660 ч), полученные через интервалы времени, равные 1 ч 27 мин за периоды регистрации длиной 11 мин, в пределах которых показания осреднялись за 4 или 8 с.

Анализ данных за первые 4 сола выявляет очень хорошую воспроизводимость данных от суток к суткам, что следовало ожидать, поскольку данные наблюдений относятся к лету в субтропиках, где, в условиях тонкой марсианской атмосферы, процессы определяются регулярным суточным ходом радиационного баланса подстилающей поверхности. Поэтому различия температуры от суток к суткам (в фиксированный момент времени) не превосходят нескольких десятых Кельвина.

Анализ результатов измерений суточного хода температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра по данным для первых суток функционирования аппаратуры (рис. 14) обнаружил неожиданно высокую повторяемость условий ветра: преобладает слабый восточный ветер в позднее послеполуденное время при скорости ветра, уменьшающейся до нуля к полуночи. Ночью доминирует ветер с юго-запада с регулярными осцилляциями скорости и направления. По-видимому, эти особенности ветрового режима определяются влиянием крупномасшабной топографии: СА находится на пологом склоне, наклоненном к северо-востоку, к юго-западу от центра обширной круговой депрессии диаметром около 300 км и глубиной 3 км. Юго-западный ветер ночью определяется радиационным выхолаживанием поверхности и происходящим при этом стоком воздуха по склону. Осцилляции направления ветра с периодом около 4 ч обусловлены, вероятно, влиянием крупномасштабных гравитационных волн. Возможно, что суточные колебания ветра и атмосферного давления являются следствием суточной перемещающейся волны планетарного масштаба, обусловленной перемещающимся суточным циклом нагревания и связанными с этим атмосферными приливами.

^{Рис. 14. Суточный ход температуры (1), атмосферного давления (2), скорости (3) и направления (4) ветра по данным измерений со спускаемого аппарата «Викинг-1» в течение первого сола (марсианских суток) функционирования СА после посадки 20 июля 1976 г.}

Сопоставление данных прямых измерений температуры воздуха на высоте 1,6 м со спускаемого аппарата и дистанционных измерений температуры подстилающей поверхности со спутника (рис. 15) выявляет близкое соответствие перед восходом Солнца, но наличие сильного контраста температур «подстилающая поверхность—воздух» (до 25°С) днем, что аналогично условиям земных пустынь, свидетельствует об интенсивной конвекции в дневное время.

^{Рис. 15. Суточный ход температуры воздуха у поверхности Марса по данным прямых измерений со спускаемого аппарата за первые три сола (3), температуры поверхности по данным дистанционных измерений с ИСМ (I) и теоретического моделирования (2).}

Показателем конвекции являются также данные о коротко-периодической изменчивости температуры и ветра. Минимум температуры имеет место вскоре после восхода Солнца (5 ч 24 мин местного времени) при среднем значении (за трое суток), равном 188 К. Перерыв в работе линии связи не позволил точно определить момент максимума температуры. Интерполяция привела к выводу, что он имел место примерно в 15 ч 30 мин при среднем значении 244 К. Измерения давления выявили суточный ход с амплитудой около 0,2 мбар. Минимум давления наблюдается примерно через 4 ч после полудня, а максимум — через 4 ч после полуночи. Среднее давление за первые трое суток составило 7,65 мбар.