Погода на Марсе, по-видимому, обусловлена гравитационными волнами
Понимание циркуляции атмосферы на планетах является ключевым элементом для прогнозирования их погоды и климата. На Земле атмосферные процессы, такие как крупномасштабные волны Россби, играют основную роль в формировании погодных условий и сезонных изменений. Однако на Марсе, как показало новое исследование, атмосферная динамика существенно отличается, и главную роль в ней играют гравитационные волны. Это открытие не только углубляет наше понимание марсианской атмосферы, но и ставит под сомнение существующие климатические модели, предлагая новые направления для исследований.
На Земле крупномасштабные атмосферные волны, такие как волны Россби, доминируют в стратосфере, перенося тепло и импульс по всему земному шару. Эти волны формируются под влиянием вращения планеты и играют ключевую роль в глобальной циркуляции воздуха. Однако на Марсе ситуация иная.
Исследователи под руководством Каору Сато из Токийского университета обнаружили, что гравитационные волны (ГВ) оказывают значительное влияние на атмосферную циркуляцию, особенно в средней атмосфере на средних и высоких широтах. Гравитационные волны возникают, когда воздушные частицы колеблются из-за изменений плавучести, подобно тому, как образуются волны на воде. В отличие от волн Россби, гравитационные волны имеют малый масштаб, что делает их трудными для прямого наблюдения. Для их изучения ученые используют косвенные методы, такие как анализ данных повторного анализа.
Используя данные Системы повторного анализа атмосферы Марса (EMARS), собранные за многолетние космические наблюдения, исследователи смогли изучить движение воздуха на Марсе. Результаты показали, что гравитационные волны способствуют быстрому вертикальному переносу углового момента, что существенно влияет на движение воздуха с севера на юг. Этот процесс больше напоминает циркуляцию воздуха в мезосфере Земли, чем в стратосфере.
Это открытие бросает вызов существующим моделям марсианской атмосферы, которые ранее предполагали, что основными движущими силами циркуляции являются планетарные волны и термические приливы. Новый анализ показывает, что мелкомасштабные гравитационные волны играют не менее важную роль.
Концепция остаточной средней циркуляции помогает объяснить, как гравитационные волны формируют атмосферу Марса. Эта схема циркуляции определяется накоплением импульса от обрушающихся атмосферных волн и энергии от процессов излучения. На Земле для анализа подобных эффектов используется система, известная как преобразованное уравнение Эйлера (TEM). Учитывая сходство между атмосферной динамикой Земли и Марса, исследователи применили тот же подход к данным EMARS.
Результаты показали, что неразрешенные волны, включая гравитационные волны, вносят значительный вклад в циркуляцию марсианской атмосферы. Более 10% атмосферных колебаний температуры и плотности на высотах более 60 км связаны с гравитационными волнами. Эти данные указывают на необходимость пересмотра текущих климатических моделей Марса для более точного учета влияния этих волн.
Изучение атмосферы Марса предоставляет уникальную возможность для сравнения с земными погодными системами. Хотя обе планеты имеют схожие скорости вращения и наклон оси, атмосфера Марса значительно тоньше, богата углекислым газом и подвержена экстремальным сезонным колебаниям. Это делает Марс идеальным объектом для изучения планетарных атмосфер за пределами Земли. Сравнение Марса с Землей позволяет ученым уточнить атмосферные модели и лучше понять, как различные факторы, такие как состав атмосферы и давление, влияют на баланс волновых эффектов.
Кроме того, изучение марсианской атмосферы проливает свет на процессы эволюции планетарных атмосфер. Поскольку у Марса отсутствует значительное магнитное поле, его атмосфера более подвержена воздействию солнечной радиации и космической погоды. Понимание того, как воздух движется на Марсе, может дать представление о том, как планеты теряют свои атмосферы с течением времени, что является ключевым вопросом для астробиологии и поиска обитаемых миров.
Марс становится все более важной целью для исследования космоса, особенно в свете планируемых человеческих миссий. Понимание атмосферы планеты будет иметь решающее значение для обеспечения безопасных посадок и долгосрочного проживания. Одним из следующих шагов в исследовании станет изучение влияния марсианских пылевых бурь на атмосферную циркуляцию. Эти бури, которые могут охватывать всю планету, значительно изменяют температурный режим и ветровые потоки.
Изображение: JPL-NASA, CORNELL UNIV.
Исследователи отмечают, что их анализ пока сосредоточен на периодах без крупных пылевых бурь, но эти события, вероятно, усиливают роль гравитационных волн в циркуляции. Уточнение атмосферных моделей с учетом новых открытий позволит ученым более точно прогнозировать погоду на Марсе, что будет иметь важное значение для будущих миссий.
В конечном итоге, это исследование не только углубляет наше понимание марсианской атмосферы, но и демонстрирует ценность планетарных сравнений в атмосферной науке. Полученные знания могут быть применены для улучшения климатических моделей на Земле, подчеркивая взаимосвязь между изучением других планет и нашей собственной. В будущем, возможно, Марс получит свой собственный прогноз погоды, включающий предсказания пылевых бурь и воздушных потоков. А пока ученые продолжают раскрывать скрытые силы, формирующие небо Красной планеты, приближая нас к новым открытиям в области планетарной науки.