Кирилл Кондратьев - «Викинги» на Марсе

Изучение процессов переноса и сдувания частиц на поверхности Марса имеет важное значение в связи с решением проблемы происхождения глобальных пыльных бурь [8, 9]. За последние несколько десятилетий глобальные пыльные бури на Марсе возникали в 1956 и 1971 гг. как направленные к востоку вторжения пылевых облаков из зоны утреннего терминатора в области Noachis—Hellas.

В работе [110] высказаны соображения о совокупности условий, которые могут благоприятствовать возникновению пыльных бурь во время прохождения Марсом района перигелия его орбиты.

Исследования эффективности ветровой эрозии привели к выводу, что с точки зрения учета этого фактора наиболее благоприятные условия возникают в зонах высокой плотности воздуха (таких, как наиболее низко расположенные участки области Hellas или северная полярная шапка) в ночное время суток зимой. Если проанализировать влияние состояния устойчивости атмосферы, то оказывается, что дестабилизирующее воздействие пограничного слоя, обусловленное нагреванием поверхности за счет поглощения солнечной радиации, в 2–2,5 раза более эффективно как фактор переноса к поверхности горизонтального компонента количества движения, обусловленного ветром свободной атмосферы, чем перемешивание, связанное с адиабатическими условиями.

Поскольку ночью преобладает устойчивость атмосферы, следует предположить, что наиболее благоприятные условия подъема частиц в воздух осуществляются ранним утром на обращенных к солнцу склонах при ясном небе. Вместе с тем в этот период возникают сильные склоновые ветры, направленные вверх по склону, которые обусловлены температурными контрастами подстилающей поверхности. Наблюдения показали, однако, что первоначальное облако пыльной бури перемещается вниз по склону. На этом основании можно предположить, что первоначальные условия, обеспечивающие триггерный механизм формирования пыльной бури, связаны с наличием гравитационного потока вниз по склону, который аналогичен земной боре. Если применить земные аналоги, то можно исходить из того, что достаточно интенсивным источником холодного воздушного потока является струя полярного воздуха.

Как показал Конрат [30], существенное влияние как фактор, стимулирующий начало глобальной пыльной бури, может оказывать эффект взаимодействия атмосферных приливов и топографии марсианской поверхности. Подобный вывод основан на том, что восстановление поля температуры в марсианской атмосфере по данным измерений уходящего теплового излучения при помощи установленного на АМС «Маринер-9» инфракрасного интерференционного спектрометра (ИКИС) привело к выводу, что в период глобальной пыльной бури 1971–72 гг. отчетливо наблюдались орографически обусловленные возмущения поля температуры, налагающиеся на сильный суточный тепловой прилив.

Так, например, атмосфера теплее над понижениями рельефа и холоднее над горами в утреннее время, а в поздние послеполуденные часы ситуация изменяется на обратную. Эти возмущения возникают в результате обусловленных влиянием топографии дополнительных приливных мод, которые не следуют за Солнцем, являясь результатом кинематического взаимодействия распространяющейся на запад солнечной суточной волны с крупномасштабными особенностями рельефа.

Конрат [30] сделал расчеты в приближении возмущений первого порядка, которые показывают, что орографическая долготная компонента с волновым числом, равным 2, представляет собой сильный источник возмущения. Особенно сильно возбуждается ею мода θ11, -1, которая соответствует перемещающейся на восток волне с волновым числом 1 в слое толщиной порядка высоты однородной атмосферы. Фазовая скорость этой волны равна по величине, но противоположна по направлению солнечно обусловленной скорости. В приближении, учитывающем лишь возмущения первого порядка, модуляция тепловых солнечных приливных волн крупномасштабной орографией проявляется в возбуждении волн с долготными волновыми числами, равными сумме или разности волнового числа нулевого порядка и орографического волнового числа. Фазовые скорости этих волн отличаются от скорости солнечно обусловленных приливных волн.

Хорошее согласие расчетных и наблюденных возмущений поля температуры свидетельствует о надежности идентификации основных приливных мод. Полученные результаты соответствуют также сделанному ранее Зуреком [113] выводу о том, что мода θ11, -1 должна оказываться сильно возбужденной. Оценки приливных компонентов полей ветра вблизи марсианской поверхности выявили существенный вклад топографически обусловленных мод низких широт. Вблизи 30° ю. ш., где имеют место наиболее сильные ветры, амплитуда изменяющегося в течение суток зонального ветра возрастает в некоторых районах до 40 м/с.

Хотя грубость модели определяет предварительность рассмотренных количественных результатов, они несомненно свидетельствуют о возможности обусловленного крупномасштабной топографией усиления ветра, которое может в некоторых районах вносить существенный вклад в инжекцию пыли в атмосферу в периоды пыльных бурь.

Расчеты Конрата [30] обнаружили также наличие орографически обусловленных мод, распространяющихся в вертикальном направлении. Эти моды не оказывают сколько-нибудь значительного влияния на поля температуры и ветра в нижних слоях атмосферы, но приводят к появлению сильного потока энергии вверх от поверхности. Подобные моды являются, таким образом, возможным источником энергии для верхней атмосферы в период пыльной бури. Однако для количественной оценки распространения энергии в верхнюю атмосферу необходимо более детальное моделирование атмосферы, чем рассмотренное выше.

Согласно работам [53, 54, 65], определенный вклад в стимуляцию процесса развития пыльной бури может вносить сальтация (беспорядочные движения частиц вверх и вниз вблизи поверхности в результате соударения с нею падающих частиц). Изучение физики процесса эрозии и первоначального механизма формирования пыльных бурь вызвало большой интерес к исследованиям условий подъема частиц марсианского грунта с поверхности как путем численных экспериментов, так и моделирования в аэродинамических трубах при условиях, эквивалентных марсианским.

В работе [108] выполнены численные эксперименты с использованием двухмерной модели потока, разработанной для исследования подъема частиц с поверхности в земных условиях, в которую были введены эмпирические поправки с целью учета специфики марсианских условий. Подъем и перенос частиц грунта определяются соотношением подъемной силы и силы трения, которые сильно зависят от числа Рейнольдса.

Как на Земле, так и на Марсе, подъемная сила имеет решающее значение для начала процесса сальтации. Эквивалентность теоретического описания этого процесса определяется из условия равенства отношений динамической скорости v* к пороговой динамической скорости v*t, определяющей начало сальтации. В табл. 4 приведены значения v* для Земли и Марса при различных диаметре частиц D (мкм) и плотности частиц ρр (г/см3) .

Главная специфика Марса состоит в том, что в этом случае сальтация имеет место в пограничном слое, содержащем вязкий подслой, тогда как для Земли характерен диапазон v*t, соответствующий переходной зоне. Толщина вязкого подслоя на Марсе составляет около 1 см. Сравнение траекторий частиц на Земле и Марсе при идентичных v*/v*t показало, что в условиях Марса траектории выше (до 40%) и длиннее. Отношение длины к высоте траекторий на Марсе значительно выше, а угол соударения с поверхностью существенно меньше (обычно меньше 30°), чем на Земле (5–15°). Максимальная вертикальная составляющая скорости частиц w/v* равна примерно одной десятой по отношению к земной, а горизонтальная составляющая скорости (вдоль направления ветра) в марсианских условиях значительно больше, что должно обусловливать более интенсивную эрозию. На основе сочетания экспериментальных данных и двухмерной модели в работе [108] получены оценки, относящиеся к трехмерной модели потока при наличии кратера. Полученные оценки показывают, что в этом случае значительно усиливается процесс эрозии на «теневой» стороне кратера. Этот вывод объясняет природу образования «струй» пылевого материала на поверхности вблизи некоторых кратеров.

Рис. 1. Место посадки спускаемого аппарата АМС «Викинг-1». Центр посадочного эллипса на монтаже телевизионных изображений, полученных с АМС «Викинг-1» 9 июля 1976 г. Рис.2. Мозаика 15 телевизионных изображений, полученных с АМС «Викинг-1» 9 июля 1976 г. при расстоянии до поверхности около 1630 км. Все изображение охватывает площадь 250 × 200 км к западу-северо-западу от места посадки СА. Рис. 3. Два изображения западной части вулканического плато Alba Patera, полученные с АМС «Викинг-2» 15 августа 1976 г. при расстоянии до поверхности около 3950 км. Каждое изображение охватывает площадь 175 × 175 км. Рис. 4. Монтаж шести изображений района Chryse, полученных 22 июня 1976 г. с АМС «Викинг-1». Отчетливо выявляющиеся меандрирующие каналы побуждают высказать предположение об их флювиальном происхождении. Рис. 5. «Острова» в канале района Areas Valley на двух изображениях высокого пространственного разрешения, полученного с АМС «Викинг-1» 23 июня 1976 г. Изображения получены с интервалом времени 9 с при расстоянии до поверхности, равном 1723 км. Рис. 6. Изображение гигантского экваториального каньона глубиной около 2 км в районе Capri Chastna, полученное с АМС «Викинг-1» 3 июля 1976 г. с расстояния около 2000 км. Размер изображения 70 × 150 км. Рис. 7. Изображение дюн на дне района Gangis Chasma— Ganges Chasm — ветви системы экваториального каньона Марса, полученное с АМС «Викинг-1» 1 июля 1976 г. с целью выявления возможных мест посадки АМС «Викинг-2». Изображение охватывает площадь 50 × 20 км. Рис. 8. Мозаика изображений покрытого каналами участка поверхности близ района Capri Chasma, полученных с АМС «Викинг-1» 3 июля 1976 г. с расстояния 2300 км. Площадь изображения составляет около 300 × 300 км. Возможно, что опускание участка хаотического рельефа в правой части изображения было частично обусловлено таянием подповерхностного льда. Рис. 9. Изображение свежего молодого кратера диаметром около 30 км, расположенного в районе Lunae Planum (правый нижний угол фотографии). Центр изображения, полученного с АМС «Викинг-1» 11 июля 1976 г. с расстояния 1760 км, расположен в точке 23° с. ш., 52° з. д. Рис. 10. Монтаж из трех изображений зоны северной полярной шапки, полученных с АМС «Викинг-2» 30 августа 1976 г. при расстоянии до поверхности около 4000 км. Рис. 11. Изображение облачного покрова в области вулкана Olympus Mons, полученное с АМС «Викинг-1» 9 августа 1976 г. с расстояния 8000 км в утреннее время. Рис. 12. Изображение поверхности Марса, полученное со спускаемого аппарата АМС «Викинг-1» 6 августа 1976 г. В конце выдвижной стрелы СА установлены метеорологические датчики. Рис. 13. Изображение поверхности Марса вблизи одной из опор спускаемого аппарата СА «Викинг-1». 22 июля 1976 г. Таблица 4 Пороговые значения динамической скорости на Земле и Марсе

В работе [54] сопоставлены результаты оценки зависимости пороговой динамической скорости от диаметра частиц (10–10 000 мкм) для условий Земли, Марса и Венеры. В случае учета сил сцепления между частицами всегда имеет место минимум динамической скорости, соответствующий оптимальному диаметру частиц, которые наиболее легко сдуваются ветром. При отсутствии сцепления наблюдается монотонное увеличение динамической скорости с ростом диаметра. Оптимальный диаметр частиц варьирует от 50 мкм на Венере до 75 мкм на Земле и 150 мкм на Марсе. При этом минимальные пороговые значения динамической скорости испытывают скачкообразные изменения примерно на порядок величины: от 2,2 до 20,5 и 250 см/с соответственно.