Строение атмосферы и магнитное поле

Полет советских автоматических станций серии "Марс" много дал и для выяснения свойств марсианской атмосферы и магнитного поля планеты.

При заходе за диск планеты советских искусственных спутников Марса и автоматических станций, двигавшихся по пролетной траектории, проводились эксперименты по исследованию атмосферы Марса методом радиопросвечивания. Обработка принятых на Земле сигналов АМС "Марс-2" и "Марс-3" позволила определить зависимость давления и температуры в атмосфере Марса от высоты. Давление у поверхности планеты в тех районах, где были проведены измерения, лежит в пределах 4-8 миллибар. Эта величина хорошо согласуется с прежними определениями, выполненными с американских станций серии "Маринер". Падение давления с высотой, как и в атмосфере Земли, происходит по барометрической формуле, но высота однородной атмосферы (т. е. высота, на протяжении которой давление падает в e раз, где e=2,72 - основание натуральных логарифмов) в нижней атмосфере Марса равна 11 км против 8 км в нижних слоях земной атмосферы. Это значит, что давление в атмосфере Марса убывает с высотой медленнее, чем в нашей атмосфере.

Много интересного дали исследования атмосферы Марса советскими станциями "Марс-4" - "Марс-7". Снимки и измерения, проведенные АМС "Марс-4" и "Марс-5", показали, что в феврале 1974 г. атмосфера была гораздо прозрачнее, чем в 1971-1972 гг. Газоанализатор спускаемого аппарата АМС "Марс-6" установил довольно большое содержание в марсианской атмосфере инертных газов (скорее всего, аргона). По данным "Викингов" аргона в атмосфере Марса на два порядка меньше, чем в земной атмосфере.

Поскольку основным источником аргона в атмосферах Земли, Марса (и, очевидно, Меркурия) является радиоактивный распад калия-40, можно считать, что содержание радиоактивного калия в породах обеих планет одного порядка, а приведенное выше отношение количеств аргона в их атмосферах отражает прежде всего отношение их масс (9:1) и скоростей улетучивания атмосфер.

По результатам прямых измерений параметров атмосферы Марса, произведенных при спуске автоматической станции "Марс-6", группа советских ученых под руководством А. В. Авдуевского построила модель атмосферы Марса до высоты 80 км (рис. 23). В месте посадки "Марса-6" (район Эритрейского моря) давление у поверхности составило 6,1 миллибара (это, между прочим, среднее давление на Марсе, от уровня которого условились отсчитывать все высоты и глубины на планете). Средняя температура тропосферы 228°К, причем температура убывает с высотой в нижнем 30-километровом слое в среднем на 2,5 град/км. На уровне тропопаузы (около 30 км) плотность атмосферы составляет 5-10-7 г/см³ (как в земной атмосфере на высоте 57 км). Выше начинается марсианская стратосфера с почти постоянной температурой 144°К.

Рис. 23. Вертикальное строение атмосферы Марса до высоты 80 км (по данным 'Марса-6')

С помощью двухканального ультрафиолетового фотометра с высоким пространственным разрешением, установленного на "Марсе-5", удалось обнаружить признаки озона в свободной атмосфере Марса. До этого озон был обнаружен приборами американских космических аппаратов "Маринер-6", "Маринер-7" и "Маринер-9", но только над полярной шапкой. Американские ученые К. Барт и М. Дик обнаружили связь между появлением над полярной шапкой облаков и увеличением содержания озона, причем то и другое зависит от температуры. Холодная и сухая атмосфера благоприятствует образованию озона. Измерения содержания озона в атмосфере Марса, выполненные АМС "Марс-5", позволяют оценить концентрацию атомарного кислорода в нижней атмосфере и скорость его вертикального переноса из верхней атмосферы, что важно для объяснения стабильности атмосферы Марса. По предварительным данным, концентрация атомарного кислорода на высоте 135 км составляет 2-8%.

По данным измерений ультрафиолетового излучения, рассеянного в верхней атмосфере Марса, была определена интенсивность линий атомарного водорода и кислорода на разных высотах. Излучение в линии атомарного водорода прослеживается до высот порядка 12000 км, где оно еще заметно превышает уровень фона межпланетной среды. Излучение в линии атомарного кислорода прослеживается до высот около 1000 км. Проведенные на АМС "Марс-2" и "Марс-3" измерения позволили найти зависимость концентрации атомов водорода от высоты над поверхностью Марса. На высоте 200 км концентрация атомов водорода около 104 атомов/см³, на высоте 4000 км она в 10 раз меньше, а дальше убывает все быстрее и на расстоянии около 15000 км от центра планеты число атомов водорода становится меньше 30 атомов/см³.

По данным АМС "Марс-2" и "Марс-3" были определены свойства ионосферы Марса. Ее нижняя граница лежит на высоте 80 км. С увеличением высоты электронная концентрация резко возрастает, достигая максимума (1,7·10⁵ электрон/см³) на высоте 138 км, а затем плавно уменьшается. Замечены еще два максимума на высотах 85 и 107 км.

Во время пролета станции "Марс-4" за диском планеты 10 февраля 1974 г. было проведено радиопросвечивание ее атмосферы на радиоволнах 8 и 32 см. Обработка записей принятых сигналов группой сотрудников Института радиотехники и электроники АН СССР (М. А. Колосов, Н. А. Савич и др.) позволила обнаружить ночную ионосферу Марса с высотой главного максимума ионизации 110 км и электронной концентрацией 4,6·10³ см^-3. Обнаружены также два вторичных максимума на высотах 65 и 185 км.

Просвечивание ночной ионосферы Марса проводилось при выходе станции из-за диска планеты, причем впервые на двух частотах одновременно. При заходе станции "Марс-4" таким же методом была просвечена вечерняя ионосфера Марса. У нее главный максимум приходится на высоту 140 км с электронной концентрацией 5,9·10⁴ см^-3 и вторичный - на уровень 100 км с концентрацией 10⁴ см^-3 (что близко к уровню ночной ионосферы). Ход электронной концентрации вечерней ионосферы близок к тому, что был получен в 1971 г. для дневной ионосферы с помощью АМС "Марс-2".

По показаниям магнитометров станций "Марс-2" и "Марс-3" советскому ученому Ш. Ш. Долгинову удалось установить наличие у Марса слабого магнитного поля. Его напряженность на экваторе около 60 гамм, на полюсе 120 гамм. Напомним, что напряженность магнитного поля Земли на полюсе составляет 0,6 эрстеда, а 1 эрстед = 10⁵ гамм. Таким образом, напряженность магнитного поля Марса в 500 раз слабее земного. Другая характеристика магнитного поля планеты - магнитный момент - оказался равным 2,47·10²² эрстед·см³, т. е. 3·10^-4 магнитного момента Земли. По этим данным Ш. Ш. Долгинов определил границу фронта ударной волны, где поток частиц солнечного ветра вступает во взаимодействие с магнитосферой планеты. На этой границе происходит скачкообразное падение скорости протонов и увеличение скорости электронов. Здесь же наблюдается скачок магнитного поля. Изменение скорости электронов действительно наблюдалось советскими межпланетными станциями. По этим наблюдениям советские ученые К. И. Грингауз и Т. К. Бреус определили средний радиус магнитосферы Марса в 4500 км и независимо оценили напряженность магнитного поля у полюса в 100-120 гамм.

Измерения магнитного поля Марса с помощью магнитометров АМС "Марс-5" позволили Ш. Ш. Долгинову и его сотрудникам подтвердить наличие магнитного поля. Его напряженность на магнитном экваторе Марса по данным станции "Марс-5" составляет 64 гаммы, а магнитный момент равен 2,4·10²² эрстед·см³. Эти оценки почти не отличаются от приведенных выше.

Как показали приборы АМС "Марс-5", магнитосфера Марса вытянута в ночную сторону, где магнитное поле прослеживается до 7500-9500 км от поверхности планеты, в то время как с дневной стороны по данным станции "Марс-3" оно не обнаруживается уже на высоте 2200 км. Изучена ориентация диполя магнитного поля Марса. В отличие от Земли, северный магнитный полюс Марса находится в его северном полушарии.

Магнитосфера Марса была изучена также К. И. Грингаузом и его сотрудниками по зондовым измерениям ионной и электронной компонент плазмы в околопланетном пространстве приборами АМС "Марс-5" и "Марс-7". Помимо двух характерных зон, выявленных еще станциями "Марс-2" и "Марс-3" (зона I - невозмущенный солнечный ветер, зона II - переходный слой за фронтом ударной волны), обнаружена зона III, характеризуемая резким падением ионных токов и усилением электронных. Эта зона отождествляется с плазменным слоем хвоста марсианской магнитосферы (рис. 24).

Рис. 24. Строение магнитосферы Марса (по Ш. Ш. Долгинову)

Факт наличия магнитного поля у Марса имеет громадное значение. По современным представлениям, магнитное поле Земли индуцируется электрическими токами в земном ядре, возникающими за счет конвективных движений в его внешних частях. Многие ученые связывают земной магнетизм с быстрым вращением Земли (динамо-эффект). Отсутствие магнитного поля у медленно вращающихся планет (Венера, Луна) и его наличие у быстро вращающегося Юпитера как будто подтверждают эту гипотезу. Марс вращается почти с такой же скоростью, как и Земля, но из-за малой массы у него не может быть значительного ядра. О том же говорит и определение момента инерции Марса. Можно полагать, что его ядро содержит не больше 6% массы планеты (на долю земного ядра приходится 31,5% массы Земли). Марс должен был пройти через стадию расплавления и дифференциации его вещества, когда более плотные породы погружались в глубь, а более легкие всплывали наверх. Процессом дифференциации вещества Земли геофизики объясняют образование материков из вещества верхней мантии. На Марсе процесс дифференциации уже закончился, поэтому нельзя приписать образование его магнитного поля динамо-эффекту в его мантии. Но у Марса должна быть толстая кора (от 20 до 200 км), возможно, обогащенная железом. Такой вывод был сделан еще в 1966 г. советской исследовательницей С. В. Козловской из анализа моделей внутреннего строения Марса. Этот анализ показал, что вещество Марса - более плотное, чем вещество земной мантии, и содержит на 5-8% больше железа. Обогащение коры железом могло способствовать формированию магнитного поля планеты. Быть может, мы наблюдаем остаточный магнетизм, или палеомагнетизм, уже хорошо изученный на Земле и давший геофизикам так много ценных сведений о прошлом нашей Земли. Но, как полагает Ш. Ш. Долгинов, не исключено, что Марс - "живая" планета, но находящаяся сейчас в состоянии перехода магнитного поля через нулевое значение. Такие переходы, или инверсии, как указывают палеомагнитные данные, не раз происходили на Земле. За последние 4,5 млн. лет было около двадцати случаев изменения полярности геомагнитного поля. Таким образом, инверсии магнитного поля Земли происходят в среднем раз в 200000 лет, причем сам процесс инверсии продолжается около 5000 лет, т. е. 2% длительности всего периода. Примерно такой можно считать вероятность того, что мы как бы присутствуем при подобной инверсии на Марсе. Окончательно установить предысторию и современное состояние магнитного поля Марса можно будет лишь путем прямых измерений на его поверхности и, в частности, путем изучения вековых вариаций магнитного поля планеты. Для этого не придется ждать несколько веков: современные методы палеомагнетизма позволяют сделать такой анализ за относительно короткое время. Но для этого нужна высадка на Марс людей с приборами либо автоматических устройств, подобных советским "Луноходам", способных передвигаться по планете по командам с Земли и выполнять заданную программу исследований.