Глобальные взаимодействия. Что случилось с Марсом? - Чем чреват град из космоса
Поскольку при глобальных взаимодействиях облака частиц (считаем их осесимметричными) сопоставимы по своим размерам с диаметром планеты, возмущениями будет охвачена вся атмосфера. Начнем со случая взаимодействия гигантского облака частиц с атмосферой Марса, и вот почему.
Как известно, атмосфера Марса в настоящее время весьма разрежена: давление и плотность у поверхности планеты примерно в 100 раз меньше земных значений. Полеты космических аппаратов дают все больше информации в пользу того, что в далеком прошлом (2--4 млрд. лет назад) атмосфера там была гораздо более плотная, в какой-то степени напоминающая нынешнюю земную, но состоявшая в основном из углекислого газа.
Существует эволюционный сценарий, который объясняет потерю Марсом атмосферы [6]. В предельно краткой и упрощенной форме он выглядит так. На раннем этапе эволюции Марса круговорот углекислого газа на планете поддерживался, с одной стороны, за счет растворения CO2 в воде и образования карбонатных отложений, а с другой стороны -- поставки CO2 в атмосферу в результате интенсивной вулканической деятельности. Именно на Марсе обнаружены самые большие среди планет Солнечной системы потухшие вулканы. По мере затухания вулканической деятельности атмосфера становилась все более разреженной, парниковый эффект ослабевал, температура понижалась, и, наконец, атмосфера пришла к ее нынешнему состоянию. Данная теория не стала общепризнанной, поскольку она не лишена внутренних противоречий и сталкивается с большими трудностями при объяснении некоторых фактов. В частности, есть свидетельства того, что перемена климата на Марсе произошла довольно быстро, а не в результате длительной и постепенной эволюции. Не обнаружены также пока и карбонатные отложения, которые должны были бы образовывать слой толщиной не менее 80 метров по всей поверхности Марса.
А не мог ли Марс потерять плотную атмосферу в ходе некоторого катастрофического процесса космического масштаба? Расчеты прямо показывают реальность такого события.
Речь идет о моделировании столкновения Марса с большим облаком мелких частиц, сопоставимым по своим размерам с планетой. Подобное облако могло образоваться поблизости от Марса в результате столкновения, например, двух крупных астероидов. В поясе астероидов, расположенном между орбитами Марса и Юпитера, таких тел и сейчас предостаточно, а в далеком прошлом их было еще больше, причем более крупных размеров (считается, что в этом поясе постоянно происходят процессы столкновения и дробления тел [7]). Не случайно автор книги [7], известный специалист в области физики метеоров и малых планет В. С.Гетман, называет этот пояс каменоломней Солнечной системы.
Древняя атмосфера Марса представляется с помощью изотермической экспоненциальной модели. Давление и плотность принимаются совпадающими у поверхности с современными земными значениями, но в силу меньшей силы тяжести на Марсе медленнее меняющимися с высотой (характеристическая высота атмосферы на Марсе H* ~ 22 км по сравнению с H* ~ 7 км для Земли).
Планета берется в виде твердого шара марсианского радиуса R = 3400 км. Предполагается, что на нее налетает облако частиц в виде цилиндрического слоя радиусом R0 и высотой L0 со скоростью n0, направленной вдоль оси цилиндра к центру планеты.
Рассмотрим два набора исходных параметров. В обоих случаях R0 = 1.1R (что больше радиуса Марса примерно на толщину его атмосферы). Начальный радиус каждой частицы равен 1 мм. В случае (а) L0 = =2R0, n0 = 40 км/с (что попадает примерно в середину возможного диапазона относительных скоростей космических тел в Солнечной системе), a0=10-4; во втором L0 = R0, n0 = 5 км/с (вторая космическая скорость у поверхности Марса), a0=10-5. Расчет начинается с высоты 400 км над поверхностью планеты.
На двух рисунках представлены распределение давления (тоновая шкала), плотности газа (изолинии с отмеченными значениями -- в единицах невозмущенной плотности атмосферы у поверхности планеты) и поле скоростей газов (стрелки). Левый рисунок дает картину в момент времени t = 600 с после начала вторжения для первого случая. Максимальная скорость в показанной области достигает почти 30 км/c, что в шесть раз больше второй космической. Поэтому разлетающийся газ уже не сможет вернуться к планете и покинет ее навсегда. Распределение плотности показывает, что унос массы атмосферы в основном происходит в направлении движения пылевого облака, т. е. облако как бы срывает атмосферу с планеты и выталкивает ее в космос. Масса оставшейся части атмосферы (не первоначальной, а в смеси с парами частиц) по отношению к начальной массе атмосферы Марса составляет по расчету 0.33. На более поздних стадиях процесса наблюдается сложное течение вокруг планеты с отражениями от оси симметрии (значения давления и плотности у поверхности постепенно выравниваются).
Модель столкновения большого облака мелких частиц с Марсом
На левом рисунке показаны распределения давления, плотности, а также поле скоростей газа около Марса через 600 с после вторжения облака (на высоте 400 км) при скорости n0=40 км/с. В этом случае облако срывает большую часть атмосферы планеты. На правом рисунке -- характеристики атмосферы через 3000 с после вторжения облака вдвое меньшего объема, в 10 раз менее плотного и с начальной скоростью 5.3 км/с. Здесь окончательный результат столкновения противоположный -- наращивание на 15% массы атмосферы Марса. Расчеты проводились для осесимметричной картины течения; x -- координата вдоль вектора начальной скорости облака, r -- расстояние от оси симметрии.
Рисунок справа соответствует второму случаю и дает картину течения в момент времени t = 3000 с. Обращаем внимание, что стрелки, изображающие поле скоростей, для обоих рисунков даны в разных масштабах (во втором случае стрелки той же длины соответствуют примерно в шесть раз меньшей скорости, чем в первом). Здесь максимальные скорости в газе (5.3 км/c) лишь немного превосходят вторую космическую скорость, а распределение плотности таково, что уносится незначительная масса газа, поэтому атмосфера не теряет, а наращивает свою массу на 15% за счет паров частиц. Оба рисунка соответствуют примерно одной и той же стадии процесса. Здесь показаны картины течений после воздействия ударной волны на всю поверхность планеты.
Итак, в результате взаимодействия с пылевым облаком масса атмосферы может как существенно уменьшиться, так и возрасти.
В принципе, можно поставить следующую обратную задачу: найти такие параметры налетающего облака частиц, при которых будет уноситься заданная часть массы исходной атмосферы. Иначе говоря, зная нынешние характеристики марсианской атмосферы и предполагая, что в далеком прошлом у поверхности они были, например, как у Земли, можно определить (хотя, конечно, и неоднозначно) параметры облака, встреча с которым вызвала предполагаемую потерю марсианской атмосферы. А затем и оценить, какие процессы и тела могли породить такого "похитителя" атмосферы.
Возникает естественный вопрос: может ли такая катастрофа произойти с Землей?
Очевидно, взаимодействие космического облака частиц с атмосферой Земли имеет принципиально такой же характер, как и для Марса. Различие -- только в других значениях параметров: размеров планеты, силы тяжести, второй космической скорости. Земля больше Марса и потерять атмосферу в результате подобного катастрофического процесса ей труднее, но такая возможность не исключена. Наши расчеты позволили установить, от столкновения с каким пылевым облаком это может случиться.
Правда, подробное исследование взаимодействия с атмосферой облаков частиц, которые могут унести в космос значительную часть атмосферы, для Земли не столь актуально, как для необитаемой планеты. Воздействие ударной волны и потоков излучения на земную поверхность будет заведомо губительно для жизни на Земле и при существенно меньшей энергии налетающего облака, когда об уносе значительной части атмосферы можно еще не говорить. Так, если размер облака сравним с диаметром Земли, то уже при небольших скоростях влета (скажем, со второй космической скоростью 11.2 км/с) ударная волна станет опасной даже для самого разреженного града -- при наименьшем из рассмотренных значений начальной объемной доли частиц a0=10-9. Такой град, будь он локальным, вообще не создал бы для Земли никакой угрозы.
Похожие статьи
-
Задачи о локальных взаимодействиях - Чем чреват град из космоса
Поведение града "местного значения" анализировалось на примере взаимодействия с атмосферой Земли частиц, занимающих шар диаметром от 0.1 до 10 км....
-
Чем чреват град из космоса? - Чем чреват град из космоса
Обычный град человеку хорошо знаком. Чаще всего он не представляет никакой опасности. Лишь очень крупные градины размером более 1 см могут нанести...
-
Марс - Поиск жизни во Вселенной
Самая исследуемая сейчас планеты, на которой ведутся поиски, - Марс, но не все ученые соглашаются с тем, что на ней могут существовать какие - то формы...
-
Введение, "Красная планета" - "Красная планета" Марс
Марс - от греческого Mas - мужская сила - бог войны, в римском пантеоне почитался как отец римского народа, охранитель полей и стад, позднее -...
-
Марс - Строение Солнечной системы
Когда в 1965 году американская станция Маринер-4 с малого расстояния впервые получила снимки Марса, эти фотографии вызвали сенсацию. Астрономы были...
-
Наши соседи - Меркурий, Венера и Марс - Планеты Солнечной системы
Оболочки Земли - атмосфера, гидросфера и литосфера - соответствуют трем агрегатным состояниям вещества - твердому, жидкому и газообразному. Наличие...
-
ВЕРХНИЕ ГОРИЗОНТЫ КОРЫ МАРСА - Сейсмичность Марса
Поверхность Марса покрыта чехлом обломочного материала (реголита), в образовании которого важную роль играли экзогенные процессы: эоловые,...
-
В 2005 г. к Марсу и его спутнику Фобосу отправится российский исследовательский зонд. Об этом было заявлено Институтом космических исследований РАН на...
-
Итак, чем же грозит космос? - Чрезвычайные ситуации космического характера
В числе природных катастроф особое место принадлежит космогенным катастрофам, учитывая их крупные масштабы и возможность тяжелых экологических...
-
Черные дыры - Освоение космоса
О черных дырах узнали в 1960-х годах. Оказалось, что если бы наши глаза могли видеть только рентгеновское излучение, то звездное небо над нами выглядело...
-
Как только СССР и США получили возможность запускать на орбиту Земли искусственные спутники, у них возникло желание исследовать ближайшие к Земле...
-
Марс - Планеты земной группы и их развитие
Марс - четвертая по расстоянию от Солнца планета Солнечной системы. Нзвездном небе она выглядит как немигающая точа красного цвета, которая время от...
-
Введение - Природа Венеры и Марса
Астрономия - наука, изучающая тела Вселенной, - зародилась в глубокой древности. В настоящее время арсенал направлений и методов астрономических...
-
Угрозы космоса - Космическая безопасность планеты
В числе природных катастроф особое место принадлежит космогенным катастрофам, учитывая их крупные масштабы и возможность тяжелых экологических...
-
Марсианские программы - Планета Марс
За последние 20 лет к Марсу и его спутникам было совершено множество полетов. Исследования проводили русские и американские станции. Но большинство...
-
ИЗЛУЧЕНИЕ - Газопылевые комплексы. Межзвездная среда
Звездный ветер -- процесс истечения вещества из звезд в межзвездное пространство. Вещество, из которого состоят звезды, при определенных условиях может...
-
Космический мусор - это все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить...
-
Столкновение земли с кометой - Кометы, вероятность и возможные последствия столкновения их с Землей
Столкновения Земли с кометой -- вот чего стали бояться люди, перестав видеть в кометах предвестниц войн. Этой проблемой активно занимаются многие ученые....
-
Возможные сценарии развития нашего мира - Возникновение и эволюция Вселенной
1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед за периодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком 2. Вселенная со...
-
Третья и четвертая космические скорости - Космические скорости
Кроме этих общепринятых существуют еще две редкоупотребимые величины: 3-я и 4-ая космические скорости - это скорости ухода, соответственно, из Солнечной...
-
Загадки Марса - Природа Венеры и Марса
Поскольку Марс, согласно древнеримской мифологоии, бог войны, то и спутники его должны носить соответствующие имена, решили ученые. Назвали их Фобос и...
-
Марс, "Красная планета" - Марс
Марс - от греческого Mas - мужская сила - бог войны, в римском пантеоне почитался как отец римского народа, охранитель полей и стад, позднее -...
-
Всего двадцать лет назад было трудно найти человека, который хотя бы раз не присутствовал на лекции "Есть ли жизнь на Марсе?". За срок примерно в полвека...
-
Ударные образования - Сейсмичность Марса
На Марсе, как на Луне и Мер-курии, широко распространены кратеры, образованные ударами о его поверхность метеоритов, астероидов и ко-мет. Облик большей...
-
Международный Геодезический Год - Освоение космоса
Военное и мирное использование ракетной техники шагало рука об руку. Арсенал боевых ракет второй мировой войны в послевоенное время видоизменялся и...
-
Проблемы освоения космоса - Проблемы и перспективы освоения космоса
Злободневность постановки этой проблемы достаточно очевидна. Полеты человека на околоземных орбитах помогли нам составить истинную картину поверхности...
-
Марс - Характеристика Солнечной системы
На Марсе имеются глубокие каньоны, гигантские вулканы и обширные пустыни. Вокруг Красной планеты, как еще называют Марс, летают две небольшие луны: Фобос...
-
Самая исследуемая сейчас планеты, на которой ведутся поиски, - Марс, но не все ученые соглашаются с тем, что на ней могут существовать какие - то формы...
-
Проблема засорения околоземного пространства вышедшими из строя спутниками и их фрагментами становится все более острой. Сейчас на орбите находится около...
-
Классификация, объемы и области накопления космического мусора - Экология космоса. Космический мусор
Объектами риска называются все объекты, которые могут доставить массу неприятностей. Основной мусор летает на орбитах значительно выше, чем МКС. Именно...
-
Пылевые кольца спутников, Происхождение спутников - Марс
Измерения, выполненные КА "Викинг" и "Фобос-2", указывают, что повышенная плотность пылевых частиц вблизи орбит Фобоса (и, возможно, Деймоса) наиболее...
-
За последние 20 лет к Марсу и его спутникам было совершено множество полетов. Исследования проводили русские и американские станции. Но большинство...
-
МАРС КАК ПЛАНЕТА - Планета Марс
Исследовать Марс удобнее всего тогда, когда Земля окажется точно между ним и Солнцем. Такие моменты (они называются противостояниями) повторяются каждые...
-
Атмосферный состав - Анализ особенностей планеты Марс
Содержание (%) Диоксид углерода 95.32 Азот 2.7 Аргон 1.6 Кислород 0.13 Оксид углерода 0.07 Водяной пар 0.03 Неон 0.00025 Криптон 0.00003 Ксенон 0.000008...
-
Вариации скорости движения Солнца вокруг центра масс солнечной системы можно рассчитать на основании уравнения движения Где X, y, z - координаты точки С...
-
Введение - Первый полет в космос: как это было
История освоения космоса -- самый яркий пример торжества человеческого разума над непокорной материей в кратчайший срок. С того момента, как созданный...
-
Энергоемкие решения, Незамкнутые решения - К вопросу о коррекции климата Марса
Почти каждый из рассмотренных вариантов можно существенно ускорить или улучшить, если обладать хорошим запасом лишних Киловатов. Так, если утыкать Марс...
-
Марсианские программы. - "Красная планета" Марс
За последние 20 лет к Марсу и его спутникам было совершено множество полетов. Исследования проводили русские и американские станции. Но большинство...
-
Общие соображения - К вопросу о коррекции климата Марса
Прежде всего, каковы потребные условия? Давление паров воды при температуре +37 OС составляет около 6300 Па [0.062 атм]. Значит, чтобы ходить без...
-
К вопросу о коррекции климата Марса - К вопросу о коррекции климата Марса
А в чем, собственно, проблема Вплоть до 70-х годов прошлого столетия большинство фантастов [Бредбери, Стругацкие и др.] описывали Марс как планету хоть и...
Глобальные взаимодействия. Что случилось с Марсом? - Чем чреват град из космоса