Космические потоки. Ветер на других планетах
Цветное изображение сильной бури в северном полушарии Юпитера сделано аппаратом «Юнона» (НАСА) во время облета газового гиганта. Image by Gerald Eichstädt and Sean Doran based on images provided Courtesy of NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS AFP
Ветры в космосе тоже разные: это могут быть ветры на планетах (газообразных и земной группы) или потоки излучения от звезд — звездный или солнечный ветер. Мы поговорим о первых — о ветрах на планетах-гигантах (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) и на атмосферных телах с твердой поверхностью (Венера и Марс). И для твердых, и для газообразных тел ветер — это движение воздуха между областями с различным атмосферным давлением. Все, как и на Земле, с одной лишь разницей — воздух на других планетах может быть совсем не таким, как на нашей. Если у нас это, в основном, смесь азота и кислорода, то на других планетах дуют потоки со свойственными им газами.
Как известно, воздушные течения могут различаться по их периодичности — существуют ветры постоянные, сезонные и дующие в разное время суток. Соответственно, проявление ветров на различных небесных телах зависит от продолжительности оборота вокруг Солнца, климатических времен года и длительности суток.
Как изменилась планета после песчаной бури на юге Марса. Слева – июнь 2001 года, справа – июль. Фото сделаны камерой Mars Orbiter в 2001 г. Фото: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Применительно к другим планетам ветер, как часть метеорологии, начали изучать только в 70-х годах прошлого века с появлением дистанционных (снимки Марса с искусственных спутников) и посадочных исследований, при помощи неподвижных и самоходных аппаратов. Впервые фотографии поверхности Марса с высоким разрешением были получены американским искусственным спутником «Маринер-9» в 1971 году. Тогда аппарат отправился к Марсу, но столкнулся с плотной пылевой бурей на этапе «вот-вот приближусь». Пришлось немного отвлечься – спутник занялся находящимися недалеко Фобосом и Деймосом. Спустя четыре месяца «Маринер-9» получил снимки с поверхности Марса. На них были видны громадные, величиной в километры, песчаные дюны, образовавшиеся при воздействии ветров с постоянным направлением. Ученые сделали вывод о длительном существовании на Марсе системы периодических сезонных ветров. По расположению дюн можно было определить направление ветров, а по их размерам — продолжительность их формирования.
Песчаная буря несется через марсианский север. Фото: ESA/DLR/FU BERLIN, cosmosmagazine.com
Эоловые (вызванные действием ветра) отложения достаточно широко распространены на Марсе. Их изучение может многое дать для выяснения метеорологических, а значит, и природных условий на Красной планете в прошлом. Это имеет очень большое значение, поскольку на Марсе в геологическом прошлом (3-4 млрд. лет назад) были более благоприятные условия для жизни: плотная атмосфера и высокая температура, при которых вода могла существовать в жидкой фазе.
В дальнейшем приборы, измеряющие направление и силу ветра, размещались на марсианских посадочных аппаратах — первыми были «Викинг-1» и «Викинг-2» в 1976 году. Эти аппараты использовались, чтобы обнаружить жизнь, но и метеорологические наблюдения велись на них несколько лет.
Весьма заметное и важное проявление метеорологической активности на Марсе — регулярные глобальные пылевые бури. Как раз в 1971 году Марс был охвачен такой глобальной пылевой бурей, которая на несколько месяцев скрыла детали поверхности. Подобные явления наблюдаются и во время прохождения Марсом перигелия — самого близкого к Солнцу участка орбиты. В это время поверхность Марса получает в разы больше инсоляции, температура атмосферы увеличивается, что вызывает пылевые бури.
Следы эоловой аккумуляции обнаружены во многих марсианских кратерах — кроме горок ветрового происхождения, часто присутствуют и небольшие комплексы дюн. Как правило, Центр горы смещен относительно центра кратера, а с двух сторон от вершины находятся два ;наличие эоловых отложений может свидетельствовать о крайне молодом возрасте поверхностного комплекса. Однако бывают случаи, когда это правило нарушается. Например, в кратере Гейл диаметром около 154 км идентифицирована гора Эолида эолового происхождения высотой в 5 км. В ее основании находятся отложения, предположительно, значительного возраста. Геофизики видят причину появления горы в ветрах – они «выдули» ее в центре кратера.
Хотя породы ветрового происхождения на Марсе достаточно распространены, в подавляющем большинстве случаев ветровой песок перемешан с обломочным материалом, что мы можем наблюдать на многочисленных панорамах, переданных американскими спускаемыми аппаратами и марсоходами. Кроме измерения силы ветра, ученые также анализируют прозрачность атмосферы — ее снижение считается возможным признаком начала пылевой бури.
Иногда марсианские ветры помогают людям изучать космические объекты. Совсем недавно, в феврале 2019 года, на Марсе прошел пыльный вихрь — об этом говорят данные погодных датчиков станции InSight. Вихрь «очистил» солнечные панели InSight от скопившейся пыли и улучшил их эффективность. Ученые вообще ждут подобных случаев, чтобы их «детища» проработали как можно дольше. Ранее ветряные порывы на Марсе помогли марсоходам «Спирит» и «Оппортьюнити» прослужить дольше расчетных сроков, увеличив мощность их солнечных панелей примерно на 10 %.
Еще одна планета с ветрами — Венера, объект с ярко выраженным парниковым эффектом, очень высокой плотностью атмосферы и температурой поверхности. Кроме прочего, эта планета обладает аномальной особенностью — крайне медленным суточным вращением, которое, к тому же, направлено в обратную сторону, по часовой стрелке, и составляет 243 земных суток. Причины такой аномалии весьма загадочны, но часть исследователей считает, что в геологическом прошлом вращение замедлилось из-за действия глобальных систем ветров.
Суперротация атмосферы Венеры в верхних облаках. Фото: AKATSUKI-UVI, Venus Express, VIRTIS; JAXA /ESA / J. Peralta, JAXA /R. Hueso, UPV/EHU, www.sci-news.com
Согласно этому предположению, в начале своей истории Венера имела менее плотную атмосферу с меньшей температурой поверхности, а потом, ввиду парникового эффекта и, возможно, из-за воздействия массивного спутника (не исключено, что им был Меркурий) она стала такой, как есть. На планете испарились океаны, система ветров повлияла на атмосферу, а приливное воздействие Меркурия, возможно, привело к полной синхронизации вращения Венеры, так что появилось видимое (при условном наблюдении с Солнца) и невидимое полушария (т. е. сутки на Венере сравнялись с продолжительностью года).
Затем медленное воздействие продолжилось и раскрутило Венеру в обратную сторону так, что сутки на ней превысили продолжительность года на более чем 19 земных суток. Вот таким образом плотная атмосфера и постоянные сильные ветры могли затормозить вращение планеты и обратили ее суточное движение вспять.
Южный полярный вихрь Венеры. Он был обнаружен на северном полюсе Венеры космическим аппаратом «Пионер-Венера» в 1979 г. Фото: ESA/VIRTIS/INAFIASF/Obs. de Paris-LESIA, www.astronomy.com
Венера — единственное небесное тело, на котором для наблюдения за высотными ветрами и воздушными течениями проводился экспериментальный полет неуправляемого воздушного судна: аэростата с исследовательской аппаратурой. В 1984 году в СССР стартовали две межпланетные станции по проекту «Вега» (Венера — комета Галлея).
В планах предусматривались пролет Венеры и исследование кометы Галлея, главной цели миссии. При пролете Венеры от «кораблей» отделились спускаемые аппараты и сели на поверхность. В ходе спуска были выпущены аэростаты с аппаратурой, каждый из которых в течение двух суток летел на высоте более 50 км от поверхности планеты.
Эксперимент дал интереснейшие данные о температуре, плотности и составе атмосферы. За аэростатами, оборудованными лишь маломощными радиопередатчиками, следили с помощью специальной сети из мощных радиотелескопов, что позволило достаточно надежно определить скорость, координаты и другие параметры движения зондов. Благодаря наблюдениям выяснилось, что верхние слои атмосферы Венеры охвачены очень быстрым движением, которое с четырехсуточной периодичностью огибает планету в направлении ее вращения. Это явление называется суперротацией атмосферы. Было установлено, что на высоте, где проходили зонды «Вег», скорость ветров постоянна и соответствует значениям в 60-70 м/с. Скорость ветров быстро убывает с высотой.
Также, по-видимому, быстрые постоянные ветры существенно ослаблены над полярными и средними широтами планеты. Как это все согласуется с тепловой и химической истории атмосферы — пока большая загадка, которую должны объяснить будущие исследования. Наблюдения со спускаемых аппаратов показали, что на поверхности, в глубинах атмосферы скорость ветра не превышает метра в секунду, однако по динамическому давлению это значение скорости соответствует более быстрым (быстрее в 7-8 раз) земным ветрам. Очевидно, что на Венере этого недостаточно, чтобы вызвать заметную замутненность — все наблюдения и расчеты показывают, что атмосфера у поверхности довольно прозрачна.
Атмосферный вихрь над северным полюсом Венеры. Фото: ESA - AOES Medialab, www.esa.int
Нечто приближенное к понятию «ветер» присутствует и на других объектах Солнечной системы. Но исследования в тех далеких местах настолько трудны, затратны и на данный момент маловероятны, что и ученым приходится обходиться скудными данными. Предварительно известно, что на Юпитере ветры в высотных струйных течениях могут дуть со скоростью 100 м/с. На Сатурне восточный ветер «попался в руки» аппарату «Кассини-Гюйгенс» — по данным его датчиков, скорость достигала 375 м/с. Уран может похвастаться ветрами со скоростью 240 м/с, а Нептун — по некоторым данным, 600 м/с. Так это или нет, никто пока не знает, и нам остается оставить раскрытие этой космической загадки нашим потомкам.
Вихрь на севере Сатурна напоминает темно-красную розу гигантских размеров в окружении зеленой листвы. Его масштаб ошеломляет – площадь 2 тыс. км² и скорость 150 м/с. Изображение сделано космическим кораблем «Кассини» NASA, www.jpl.nasa.gov
Наука
Лев Каменцев
Невидимая тюрьма: как устроены индийские касты
Жизнь = вода + воздух + грибы
Таинственный гость
Этци: самая древняя мумия человека в Европе
