Кирилл Кондратьев - «Викинги» на Марсе

• Название: «Викинги» на Марсе
• Автор: Кирилл Кондратьев
• Издательство: Гидрометеоиздат
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1977

Обсуждены результаты исследований атмосферы, поверхности и верхнего слоя грунта Марса на основе предварительного анализа данных измерений при помощи аппаратуры, установленной на орбитальном и спускаемом аппаратах АМС «Викинг-1, -2». Полученные результаты содержат обширную информацию о структурных параметрах и составе атмосферы. Большое число изображений с орбиты и поверхности планеты позволило значительно углубить существующие представления об особенностях структуры и минералогии поверхности Марса. Впервые получен обширный комплекс данных прямых измерений на поверхности планеты, характеризующих свойства поверхности и нижних слоев атмосферы. Рассмотренные результаты имеют важное значение для понимания закономерностей погоды и климата на Марсе, открывают новые перспективы с точки зрения сравнительной метеорологии планет.

The results of investigations of the atmosphere, the surface and the upper layer of the soil of Mars are discussed on the basis of a preliminary analysis of measurement data obtained with the help of instrumentation installed on the orbital and descent vehicles Viking-1, -2. The results obtained contain comprehensive information on the structural parameters and composition of the atmosphere. Numerous images from the orbit and the planet's surface made it possible to improve essentially the existing notion of the structure and minerology of the Martian surface. For the first time, a comprehensive complex of data of direct observations on the surface of the planet has been obtained which characterizes the properties of the surface and the lower atmosphere. The results considered are of great importance for understanding the weather and climate-forming processes on Mars; they open up new perspectives from the point of view of the comparative meteorology of planets.

---

К. Я. Кондратьев «ВИКИНГИ» НА МАРСЕ

Введение

 Опыт исследований планет показал, что наиболее перспективным является комплексное применение наземных средств наблюдений, а также автоматических межпланетных станций (АМС), состоящих из орбитального аппарата (ОА), который выводится на орбиту искусственного спутника планеты, и спускаемого аппарата (СА), используемого для вертикального зондирования при спуске СА через атмосферу и прямых измерений параметров атмосферы и грунта после посадки СА. Несомненный приоритет принадлежит прямым измерениям при помощи аппаратуры, устанавливаемой на СА, что было блестяще продемонстрировано еще данными АМС «Венера-4». Успешный запуск АМС «Венера-9» и «Венера-10» и связанный с ним вывод на орбиты двух искусственных спутников Венеры, а также посадка двух СА явились первым примером комплексных исследований Венеры при помощи летательных аппаратов, функционирующих в режиме искусственных спутников и спускаемых аппаратов, совершивших посадку на поверхности планеты [7, 10]. Осуществление программы АМС «Викинг-1» и «Викинг-2» явилось продолжением аналогичного направления исследований с целью получения новых данных об атмосфере и поверхности Марса.

Получение обширной новой информации о свойствах атмосфер и поверхностей Венеры и Марса открывает широкие перспективы с точки зрения решения задач сравнительной метеорологии планет [8, 9]. В этой связи сопоставление данных по Венере и Марсу является особенно интересным. Это касается, в частности, данных о составе атмосфер.

Составленная Коннеллом [73] табл. 1 характеризует современные данные о составе атмосферы Марса и надоблачной атмосферы Венеры, для которых характерны преобладание углекислого газа и его фотодиссоциация (в атмосфере Марса — вплоть до поверхности планеты, а на Венере — выше уровня верхней границы облаков). Заметим при этом, что, хотя CO2 пока еще не был обнаружен, его присутствие является очень вероятным.

Таблица 1 Отношения смеси различных компонент атмосфер Марса и Венеры

При диссоциации СО2 на СО и О2 отношение концентрации этих двух компонент должно быть равно двум. Фактически оно составляет около 0,5 на Марсе (это можно объяснить избытком О2, возникающим в результате фотолиза водяного пара, который сопровождается диссипацией атомарного водорода) и превосходит 50 на Венере. Последнее требует присутствия на Венере источников молекулярного кислорода.

На обеих планетах наиболее вероятными реакциями образования кислорода являются:

O+O+M → O2+M, OH+O → H+O2,

тогда как сток кислорода определяется фотодиссоциацией

O2+hν → 20.

Помимо указанных, на Венере возможны еще и две следующие реакции, продуцирующие кислород:

Сl+О3 → СlО+О2, СlО + О → Сl+О2.

Интересно, что это именно те реакции, которые привлекли за последнее время большое внимание в связи с проблемой антропогенных воздействий на слой земного атмосферного озона. Малое содержание СО и О2 в атмосферах Марса и Венеры составляет до сих пор не решенную проблему.

Основной для Марса и Венеры является проблема стабильности углекислотной атмосферы. Преобладающее мнение состоит в том что рекомбинация СО2 катализируется нечетным водородом НОх = Н + ОН + НО2+Н2О2. При этом главной является реакция

CO+OH → CO2+H.

Каталитический цикл завершается восстановлением гидроксила в результате двух реакций:

Н+О2+М → HO2+M. HO2+O → OH+O2

Достаточно надежные выводы по рассматриваемому вопросу затрудняет отсутствие адекватных данных о скоростях реакций.

Главным источником молекулярного водорода на обеих планетах является, по-видимому, реакция

Н+HO2 → H2+О2.

Важным фактором устойчивости состава атмосфер служат каталитические эффекты химически активных радикалов, имеющих очень малую концентрацию. В верхней атмосфере Марса для поддержания малых отношений смеси О и СО должен существовать быстрый перенос продуктов диссоциации СО2. Для этого необходим коэффициент вертикальной турбулентной диффузии порядка 108 см2/с. Аналогичные условия могут преобладать и на Венере. Эти предположения приводят, однако, к значениям концентрации О, которые находятся в противоречии с ионосферными данными, а, возможно, — и результатами измерений свечения верхней атмосферы, хотя согласуются с потоком диссипирующих атомов водорода.

Альтернативным является предположение, что верхняя атмосфера состоит главным образом из атомов кислорода, которое требует разработки модели взаимодействия с солнечным ветром для обеспечения согласия с ионосферными данными и выявления процесса, обусловливающего большую нетепловую диссипацию атомов водорода. Такого рода предположение можно согласовать с данными по свечению верхней атмосферы. Для обеих планет остается нерешенной проблема теплового баланса термосфер.

Важные результаты в этом направлении получены М. Н. Изаковым и С. К. Морозовым [3, 4]. На основе численного интегрирования системы гидродинамических уравнений с учетом источника тепла за счет поглощения солнечной ультрафиолетовой радиации и стоков тепла, обусловленных инфракрасным излучением атмосферы и отводом тепла теплопроводностью в нижние слои атмосферы, в работе [4] построена модель суточных вариаций температуры, плотности и ветров в экваториальной зоне Марса в период равноденствия.

Основным упрощением модели является рассмотрение двухмерной термосферы лишь в экваториальной плоскости при пренебрежении меридиональным растеканием. Поскольку рассматривается сравнительно тонкий слой атмосферы (75–200 км), для этого слоя приняты постоянные значения ускорения силы тяжести, теплоемкости, теплопроводности и вязкости, взятые для высоты, соответствующей середине слоя. Предполагается, что термосфера состоит из чистого углекислого газа, но получены также оценки с учетом присутствия 25% аргона.

Вычисления показали, что марсианская мезопауза располагается на высотах 90–100 км, где находится максимум стока тепла за счет радиационного выхолаживания и температура составляет около 150 К. Вертикальный профиль температуры становится примерно изотермическим на высотах более 170 км на дневной и 140 км — ночной стороне планеты. На высоте 200 км плотность изменяется в суточном ходе в 5 раз, а температура — от 280 до 430 К. Последнее хорошо соответствует наблюдаемой температуре около 340 К при той же умеренно высокой солнечной активности, рассмотренной в расчетах.

При отсутствии горизонтального переноса нагревание атмосферы происходит от восхода до захода Солнца, тогда как ветры несколько уменьшают амплитуду солнечно обусловленных вариаций температуры и сдвигают как максимум, так и минимум на более раннее время. Уменьшение амплитуды суточного хода температуры (примерно в 1,5 раза) вызывают и вертикальные движения, что, по-видимому, обусловлено влиянием адиабатического нагревания и охлаждения. Для поля ветра характерно наличие ночью горизонтальной составляющей (порядка 100 м/с), направленной в основном в сторону вращения планеты, а днем (при скорости до 150 м/с) — в противоположную сторону. Учет наличия аргона привел к изменению температуры, достигающей 20 К.

Выше упомянуты лишь некоторые аспекты исследований состава и физики верхних атмосфер Венеры и Марса, выявляющие необходимость дальнейшего изучения состава и строения атмосфер при помощи наиболее надежных средств прямых измерений. Обратимся теперь к детальному обсуждению предварительных результатов, полученных при помощи АМС «Викинг-1, -2».

Осуществлению двух миссий по программе АМС «Викинг» целью которой были исследования атмосферы и поверхности Марса путем вывода двух орбитальных аппаратов на орбиты искусственных спутников Марса (ИСМ) и посадка двух спускаемых аппаратов (СА) на поверхность планеты, предшествовали длительные поиски наиболее подходящих районов посадки.

1. Поиски мест посадки

Поиски мест посадки для АМС «Викинг-1, -2» были тесно связаны с общей проблемой топографии поверхности Марса. Билле и Феррари [19] на основе использования данных радиорефракционных, наземных радарных, спектральных и оптических измерений, а также применения методики Фурье-анализа (учтены гармоники вплоть до двенадцатой) определили основные параметры глобальной топографии Марса. Согласно [19], средний радиус планеты составляет 3389,91 ±0,009 км, а средняя плотность равна 3,9332±0,0018 г/см3. Центр фигуры Марса смещен относительно центра масс на 2,92±0,25 км. Топографическая сплющенность составляет (—3,994±0,077) ·10-3 и равна сплющенности, обусловленной гравитационными факторами и вращением планеты, если принять угловую скорость вращения 77 580 с (21 ч 33 мин), которая сильно отличается от наблюдаемой угловой скорости, что свидетельствует о значительном нарушении гидростатического равновесия. Этот факт побуждает выразить сомнения относительно надежности всех полученных ранее оценок момента инерции Марса, поскольку они основаны на использовании уравнения Дарвина—Радау, предполагающего гидростатическое равновесие.