Атмосфера Марса

Замечательное сочинение К. Фламмариона "Атмосфера" имеет эпиграф: "Jn ea vivimus, movemur et sumus"^*. Эти слова подчеркивают громадную роль атмосферы для всего живущего на Земле. Действительно, все без исключения процессы не только живой, но и мертвой природы, происходят при участии атмосферы. Она дает дыхание и жизнь всему живому; она с нами при нашем рождении и смерти; первое дыхание ребенка, последний вздох умирающего и разложение трупа - дело атмосферы. Глубокая лазурь южного неба и холодный блеск северного сияния; тишина весеннего вечера и стремительный ураган; обжигающий самум и прохладный ветерок, несущий дождь - все это родится в атмосфере и атмосферой.

^* ("В ней живем, движемся и существуем".)

В союзе с водой она разрушает грандиозные скалы, превращая их в обломки: в процессе выветривания эти обломки она измельчает все дальше и дальше, делая из них песок и наконец, пыль, настолько тонкую, что она днями может носиться в воздухе. Таким образом, под влиянием действия атмосферы даже рельеф поверхности планеты подвергается мало-помалу изменениям.

В виду такого всестороннего значения атмосферы в жизни планеты, вопрос о планетных атмосферах был предметом многих исследований. Из предыдущего мы знаем, что, в частности на Марсе, присутствие атмосферы было установлено уже ранними наблюдателями.

Последующие спектроскопические исследования, приведенные выше, дали некоторый материал для суждения о составе марсовой атмосферы.

Но кроме визуальных и спектроскопических исследований были также сделаны попытки подойти к решению вопроса о количестве и составе марсовой атмосферы на основании некоторых теоретических соображений.

Лоуэлль, например, пытался рассчитать массу марсовой атмосферы, исходя из ее альбедо. Он принимает, что плотности атмосфер Земли и Марса пропорциональны их отражательным способностям, т. е. относятся между собой, как 75 к 17. Это соображение основывается на том, что степень блеска воздуха зависит главным образом от взвешенных в нем твердых частиц, а чем плотнее воздух, тем большее число твердых частиц он в себе удерживает. Таким образом, плотность воздуха Марса получается около 2/9 нашей земной на каждую единицу поверхности.

Если принять во внимание ускорение силы тяжести на Марсе^*, то найдем, что это количество воздуха соответствует барометрическому давлению у поверхности планеты в 64 мм ртутного столба.

^* (Полагая для Земли g=1, получим для Марса g=0,38.)

Такое низкое атмосферное давление должно способствовать очень быстрому испарению воды на поверхности планеты, что без сомнения вносит существенное отличие в характер влагооборота на Марсе по сравнению с Землей. Весьма возможно, что быстрота наблюдаемых на поверхности Марса изменений в значительной мере зависит от стремительности происходящих на нем процессов испарения.

Кроме того, низкое атмосферное давление не благоприятствует облакообразованию; как известно, мельчайшие капельки воды, составляющие облака, конденсируются вокруг твердых частиц взвешенных в воздухе. По редкости марсовой атмосферы, таких твердых частиц в ней взвешено гораздо меньше, чем в земной, поэтому условия для облакообразования там менее благоприятные, чем на Земле. В эту же сторону действует и более медленное падение давления марсовой атмосферы с поднятием вверх, обусловленное меньшей силой тяжести на Марсе. Быть может, эти факторы играют довольно значительную роль в той бедности марсовой атмосферы облаками, которая установлена наблюдениями.

Весьма интересную попытку разрешения вопроса о планетных атмосферах сделал Дж. Стоней^*. Он исследовал этот вопрос с точки зрения кинетической теории газов. Как известно, по этой теории газовые молекулы, рассматриваемые, как эластические сферы, находятся в постоянном движении, обуреваемые скоростями, зависящими от температуры. Молекулярные движения происходят по всем направлениям. Движущиеся молекулы сталкиваются между собою, отскакивают друг от друга, ударяются об ограничивающую газ преграду и тем производят давление на нее. Индивидуальные скорости частиц различны, а их совокупность управляется законом вероятности Максвелля; они группируются около некоторой наиболее вероятной скорости, величина которой зависит от атомного веса и температуры газа.

^* (Johnston Stoney. "Of atmnospheres upon planets and satellites" (The scleüfic Transaction of the Royal Dublin Socièty, nov. 1897).)

Теория позволяет вычислить среднюю скорость для частиц каждого газа при данной температуре. Эта средняя скорость отличается от соответствующей тем же условиям наиболее вероятной скорости, т. к. самая малая скорость не может быть меньше нуля, а самая большая теоретически может возрастать до бесконечности.

Из механики известно, что каждое тело, имеющее скорость больше 11 км в сек. уже не может быть удержано на земле силою ее притяжения; оно покинет землю и будет удаляться все дальше и дальше в пространство, чтобы больше никогда не вернуться назад.

Точно также, газовая молекула, на границе земной атмосферы достигшая такой скорости, оторвется и навсегда улетучится от земли.

Совершенно подобное явление должно, разумеется, происходить и с молекулами атмосфер других планет, только соответствующие скорости будут другие, в зависимости от масс и размеров планет. Именно, чем больше масса планеты, тем больше должна быть и та скорость, при которой тело может покинуть планету. Таким образом, если на данной планете газовые частицы, входящие в состав атмосферы, могут достигать на границе атмосферы надлежащих скоростей, то, мало-помалу, они будут покидать планету и рассеиваться в пространстве.

Расчет показывает, что такая предельная скорость для Земли составляет 11015 метр, в сек; для Марса - 4803 м в cек, и для Луны - 2380 метр. в сек.

Нижеследующая таблица дает средние молекулярные скорости для некоторых газов при различных температурах.

Средние скорости газовых частиц в метрах в секунду.

Скорости отдельных газовых частиц, разумеется, отличны от средней скорости частиц всей массы газа; отдельные частицы имеют скорости большие или меньшие, чем средняя скорость.

Поэтому, если при некоторых условиях, средняя молекулярная скорость какого-либо газа и меньше, чем предельная скорость для данной планеты, то все же может случиться, что отдельные частицы газа достигнут этой предельной скорости и удалятся с планеты в пространство. И чем ближе средняя скорость частиц газа подходит к предельной скорости, тем большее число газовых частиц будет ее достигать. Разумеется, особенно быстро должен происходить процесс рассеяния газа в том случае, если его средняя скорость при данных условиях превосходит предельную.

Как видно из приведенной таблицы, скорость газовых частиц тем больше, чем легче газ. Наибольшую скорость имеют частицы водорода. Кроме того, скорости возрастают с температурой. Теория показывает, что средняя скорость газовых молекул пропорциональна корню квадратному из температуры газа и обратно пропорциональна корню квадратному из его атомного веса.

Таким образом, легкие газы должны скорее улетучиваться с планеты, чем тяжелые; равным образом, рассеяние атмосферы должно происходить быстрее при высокой температуре, чем при низкой. Наконец очевидно, что чем меньше масса небесного тела, при одинаковых размерах, тем скорее оно должно потерять свою атмосферу, т. к. скорость, при которой оно силою своего притяжения уже не может удержать газовую частицу, будет достигаться большим числом частиц.

Рассмотрение атмосфер трех тел планетной системы, лучше всего нам известных - Земли. Луны и Марса вполне подтверждает этот взгляд: Луна, для которой предельная скорость наименьшая из всех трех - вовсе лишена атмосферы; Марс, предельная скорость для которого вдвое больше лунной, обладает уже довольно заметной атмосферой; наконец Земля, для которой предельная скорость в два слишком раза превосходит марсову, обладает мощным атмосферным покровом.

На основании приведенных выше соображений, Дж. Стоней пытается определить состав Марсовой атмосферы, исходя из состава земной атмосферы^*. Именно, констатируя отсутствие в земной атмосфере гелия, Дж. Стоней заключает, что следовательно, частицы гелия достигали предельной для Земли скорости (11015 м. в сек.) в количестве достаточном, чтобы весь гелий мог улетучиться из земной атмосферы. Далее, Дж. Стоней ставит вопрос так: каким атомным весом должен был бы обладать газ, способный с такой же легкостью покинуть Марс, с какой гелий покинул землю.

^* (J. Stoney пользуется данными о составе земной атмосферы, которые уже не согласуются с современными.)

Так как средние молекулярные скорости газов обратно пропорциональны корням квадратным из атомных весов, то очевидно, атомные веса газов обратно пропорциональны квадратам их молекулярных скоростей при соответствующих условиях. Поэтому, обозначая через Б, искомый атомный вес, через Ehe атомный вес гелия, найдем Е : Ehe = 11,02 : 4,82 = 4,785, т. е. атомный вес газа, способного покинуть Марс с такой же легкостью, как гелий покинул Землю, - составляет 4,785 относительно гелия, или 9,57 относительно водорода. Принимая во внимание температуру верхних слоев земной атмосферы, Дж. Стоней допускает, что это рассеяние гелия произошло при температуре около - 66°С, т. е. 207° абс. шкалы. Таким образом, при этой температуре частицы гелия должны были в достаточном числе достигать скорости в 11 клм. в сек., которое в 9,27 раза превосходит среднюю молекулярную скорость частиц этого газа при указанной температуре.

Выше была указана зависимость между атомными весами, молекулярными скоростями и температурой газов. На основании этой зависимости, для воцяного пара, молекулярный вес которого равен 9, найдем: 9,57 : 9 = 207 : Т, где 207 и Т - суть температуры по абсолютной шкале, при которых достигается соответствующая скорость. Отсюда Т=194°7 или -78°,3С. Таким образом, водяной пар должен был покинуть поверхность Марса при температуре в -78°,3 С с такой же легкостью, как гелий-землю при температуре в -66°С. Из сказанного Дж. Стоней заключает, что водяного пара не может быть в атмосфере Марса в сколько-нибудь значительном количестве; газы с атомными весами 14 и 16 - т. е. азот и кислород могли бы еще содержаться в атмосфере в значительном количестве. В виду отсутствия водяного пара, Дж. Стоней отрицает возможность растительности на Марсе, а без таковой и возможность нахождения там свободного кислорода. Поэтому, по его мнению, атмосфера Марса состоит из азота, углекислоты и аргона.

Придя к этому выводу, Дж. Стоней вынужден предположить, что полярные снега Марса состоят из твердой углекислоты, которая, как известно, при замерзании, образует хлопья, очень похожие на снег. Скорость и полноту таяния полярных покровов Марса Дж. Стоней объясняет тем, что углекислота - вещество гораздо более летучее, чем вода, и с наступлением марсова лета уже при небольших повышениях температуры должна стремительно испаряться.

Таким образом, с точки зрения Дж Стонея углекислота в марсовой атмосфере играет роль, подобную роли водяного пара в земной атмосфере. "Однако циркуляция углекислоты в атмосфере Марса должна существенно отличаться от циркуляции воды на земле; углекислота стремится вниз, стелется по долинам и впадинам поверхности, располагаясь под слоем азота, с которым она плохо смешивается".

Если допустить вместе с Дж. Стонеем, что полярные покровы Марса действительно состоят из твердой углекислоты, то мы должны предположить на этой планете чрезвычайно низкую температуру, т. к. точка замерзания углекислоты лежит при -74°С. Ни о какой жизни, разумеется, не может быть и речи при таком страшном холоде. Поэтому, стоя на точке зрения Дж. Стонея, мы должны представлять себе Марс безжизненной замерзшей пустыней, которая является ареной лишь мертвых физико-химических процессов. Такое воззрение, однако, плохо согласуется с наблюдениями.

Принципиальная сторона гипотезы Дж. Стонея едва ли может быть оспариваема; несомненно, процесс рассеяния атмосфер небольших небесных тел происходит; тому примеры - Луна, Меркурий, Марс. Поскольку кинетическая теория вещества является в настоящее время почти достоверно-истинной, мы должны признать известную роль молекулярных движений в рассеянии планетных атмосфер.

Однако, данные о составе земной атмосферы, которыми пользовался Дж. Стоней, уже не соответствуют нашим современным знаниям в этом вопросе. Так, Дж. Стоней, подходя к вопросу о составе марсовой атмосферы, исходил из того факта, что земная атмосфера не содержит в настоящее время гелия; Дж. Стоней принимает, что гелий содержался раньше в земной атмосфере так же, как он имеется сейчас на Солнце, а затем рассеялся в пространстве вследствие достижения частицами газа предельной для Земли скорости. Приняв это положение, Стоней определяет, как мы видели выше, атомный вес газа, который мог бы с такой же легкостью покинуть Марс, как гелий Землю.

Исследования Буссенго и Армана Готье, однако, доказали наличность в воздухе не только гелия, но и водорода, который вдвое легче гелия.

Благодаря этому обстоятельству, если не принципиальная, то числовая сторона исследования Стонея в значительной мере теряет под собою почву.

По определению Армана Готье, процентное содержание водорода в нижних слоях атмосферы составляет около 0.003%, с повышением же над поверхностью Земли оно возрастает, и газы в атмосфере располагаются приблизительно в порядке своего удельного веса - именно у поверхности земли - самые тяжелые, а с поднятием кверху получают преобладание все более и более легкие газы. Согласно работам доктора Вегенера в Марбурге, процентный состав воздуха на различных высотах определяется следующим образом^*:

^* (Все величины даны в % и отнесены к об'ему.

Таблица заимствована из Sv Arrenius "Lebenslaufder l'laneten".)

Эта таблица показывает, что начиная, с высоты около 90 клм., водород является господствующей составной частью земной атмосферы.

К некоторой оценке сравнительного влияния молекулярных движений на рассеяние атмосфер Земли и Марса можно подойти следующим образом. Рассматривая предельные скорости для Земли и Марса, мы видели, что они относятся между собою, как 11,0 к 4,8. Чтобы сравнить, с какой легкостью эти предельные скорости могут быть достигнуты газовыми частицами на Земле и на Марсе, мы должны принять во внимание различие температур на обеих планетах, так как от этих температур зависят средняя скорость газовых частиц. Для этой цели мы можем пренебрегать различной способностью Земли и Марса к удержанию теплоты, так как речь идет о верхних слоях атмосфер обеих планет; тепловой режим этих слоев, по всей вероятности, одинаков для Земли и Марса, а потому в нашем расчете достаточно принимать во внимание лишь различные расстояния Земли и Марса от солнца.

Количество солнечного излучения на единицу поверхности Марса составляет 4/9 получаемого Землею. При наличии температурного равновесия в таком же отношении должны находиться и количества излучаемой этими телами теплоты. Так как по закону Стефана, излучение тела пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры, то получим, что температуры верхних слоев атмосфер Земли и Марса относятся между собою, как 1 : 0,82. Молекулярные же скорости газов пропорциональны корням квадратным из абсолютных температур, т. е. молекулярные скорости одних и тех же газов на верхних границах атмосфер Земли и Марса относятся между собою как: 1: 1 √ 0,82= 1:0,9.

Таким образом, средняя скорость частиц некоторого газа в верхних слоях атмосферы Марса, вследствие более низкой температуры, составляет 0,9 от такой же скорости на земле. Так как предельная скорость для Марса - 4803 метра в секунду - от температуры не зависит, то понижение средней скорости газовых частиц на Марсе на 10 проц., по сравнению с Землею, имеет такой же результат в смысле возможности достижения газовыми частицами предельной скорости, как если бы эта последняя возросла на 10 проц., т. е. достигла бы величины 5280 метров в секунду. Этой величиной мы и будем пользоваться при сравнении условий рассеяния атмосфер Земли и Марса.

Посмотрим теперь, как относятся между собою вероятности достижения предельных скоростей газовыми частицами Земли и Марса в различных случаях. Возьмем, например, гелий при температуре в 66°С, как это делал Дж. Стоней. Из таблицы средних молекулярных скоростей видим, что частицы гелия имеют при этой температуре скорость в 1143 метр, в секунду, которая в 9,6 раза меньше предельной для Земли скорости (11015 метр в сек.) и в 4,6 раза меньше предельной скорости для Марса (4803 метр, в сек.). Таблица вероятностей, данная в приложении, показывает, что при этих условиях вероятности достижения частицами гелия предельной скорости на Земле выражается приблизительно числом 1.10^-37, а на Марсе - число 2.10^-8, т. е., вероятность достижения предельной скорости частицами гелия на Марсе в 2.10^-29 раз больше, чем на Земле. Таким образом, на одну частицу гелия, потерянную Землею, Марс имеет вероятность потерять чудовищно-громадную цифру - двести дециллионов частиц.

Бели произвести аналогичный расчет для температуры в 0°С., то при этой температуре вероятность достижения частицами гелия предельной скорости на Земле будет приблизительно 2.10^-30, а на Марсе - 5.10^-6, т.е. для Марса эта вероятность будет в 25.10^-24 раз больше, чем для Земли. Таким образом, при этой температуре соотношение вероятностей будет такого же порядка, как и при температуре в -66°С.

Выведенные числа носят чисто теоретический характер: механизм молекулярного движения в конце концов все-таки лишь гипотеза; равным образом, нельзя доказать, что газовые частицы действительно достигают предельных скоростей на Земле и на Марсе.

Но, во всяком случае, найденные нами числа показывают, что молекулярные движения играют в рассеянии планетных атмосфер весьма неравномерную роль; в то время, как на небольших планетах и спутниках рассеяние, вызываемое этой причиной, должно быть громадно и должно быстро в космическом смысле приводить к полному исчезновению атмосферы, на крупных планетах этот процесс происходит несравненно медленнее.

В конечном итоге можем сказать, что приложение кинетической теории газов к изучению планетных атмосфер, в частности атмосферы Марса, не приводит к каким-либо решающим результатам относительно ее состава. Мы можем лишь констатировать, что марсова атмосфера должна была подвергнуться гораздо более сильному рассеянию, чем земная, и что в составе первой вероятно ожидать преобладания газов с большим удельным весом.