«Викинги» на Марсе - Кирилл Кондратьев

В рамках научной программы АМС «Викинг» предприняты четыре вида измерений, имеющих важное значение с точки зрения решения остающейся открытой проблемы баланса летучих компонент на Марсе [33]. Это измерения температуры в зонах полярных шапок, содержания водяного пара, атмосферного давления и масс-спектрометрические измерения концентрации различных изотопов. Согласно имеющимся данным температура в зонах полярных шапок слишком высока, чтобы существовала возможность постоянного наличия твердой углекислоты. В связи с этим было показано, что допустимо наличие постоянных полярных шапок из льдообразного соединения — водного клатрата углекислоты СО2·6Н2О, вариации содержания которого могут регулировать атмосферное давление.

Если с орбитальных аппаратов АМС «Викинг» удастся осуществить регистрацию температуры полярных зон в течение целого марсианского года, это откроет возможность решить вопрос о том, состоят ли полярные шапки из клатрата, чисто льда или чистой твердой углекислоты. Для решения этой задачи важны также данные о содержании водяного пара в атмосфере.

Поскольку ранее были высказаны соображения о возможности объяснения наблюдаемых вариаций давления как обусловленных изменениями количества углекислого газа, адсорбированного реголитом, существенную роль должны сыграть измерения давления с орбитальных и спускаемых аппаратов. Масс-спектрометры, установленные на СА, позволят определить изотопный состав атмосферы, почвы и, возможно, отложений инея на поверхности. Если действительно существует резервуар связанного углекислого газа (адсорбция его реголитом), следует ожидать пониженного содержания изотопов 13С, 18О и 2Н в атмосферном водяном паре и углекислом газе.

9. Метеорологические наблюдения

В работах [41—46] описана программа метеорологических измерений, которая была реализована на спускаемых аппаратах АМС «Викинг» и включала измерения температуры воздуха, скорости ветра и атмосферного давления. Скорость и направление ветра измерялись при помощи термоанемометра с двумя ортогонально расположенными в горизонтальной плоскости пленочными датчиками. Для дублирования и однозначности определения направления ветра использовалась также система четырех термопар, расположенных по углам квадрата. Температура воздуха измерялась при помощи нескольких термопар, показания которых привязывались к показаниям контрольной термопары, находящейся внутри корпуса СА.

Все датчики ветра и температуры установлены в конце выдвижной стрелы на расстоянии не меньше 0,61 м от корпуса СА и на высоте 1,6 м над марсианской поверхностью (см. рис. 12). Испытания в аэродинамической трубе показали, что точность измерений скорости ветра более 2 м/с должна быть не хуже ±15%, направления ветра +10° и температуры ±1,5°С. Влияние корпуса СА может несколько сказываться лишь на определении ветра при азимутах 260° и 340° (по отношению к направлению на север). Для измерений атмосферного давления использовался датчик, расположенный внутри корпуса СА и обеспечивающий точность около 0,07 мбар.

Измерения в точке посадки (район Chryse: 22,48° с. ш., 48,0° з. д.) начались через 2 ч после посадки СА. В работе [42] рассмотрены данные за несколько первых марсианских суток (24,660 ч), полученные через интервалы времени, равные 1 ч 27 мин за периоды регистрации длиной 11 мин, в пределах которых показания осреднялись за 4 или 8 с.

Анализ данных за первые 4 сола выявляет очень хорошую воспроизводимость данных от суток к суткам, что следовало ожидать, поскольку данные наблюдений относятся к лету в субтропиках, где, в условиях тонкой марсианской атмосферы, процессы определяются регулярным суточным ходом радиационного баланса подстилающей поверхности. Поэтому различия температуры от суток к суткам (в фиксированный момент времени) не превосходят нескольких десятых Кельвина.

Анализ результатов измерений суточного хода температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра по данным для первых суток функционирования аппаратуры (рис. 14) обнаружил неожиданно высокую повторяемость условий ветра: преобладает слабый восточный ветер в позднее послеполуденное время при скорости ветра, уменьшающейся до нуля к полуночи. Ночью доминирует ветер с юго-запада с регулярными осцилляциями скорости и направления. По-видимому, эти особенности ветрового режима определяются влиянием крупномасшабной топографии: СА находится на пологом склоне, наклоненном к северо-востоку, к юго-западу от центра обширной круговой депрессии диаметром около 300 км и глубиной 3 км. Юго-западный ветер ночью определяется радиационным выхолаживанием поверхности и происходящим при этом стоком воздуха по склону. Осцилляции направления ветра с периодом около 4 ч обусловлены, вероятно, влиянием крупномасштабных гравитационных волн. Возможно, что суточные колебания ветра и атмосферного давления являются следствием суточной перемещающейся волны планетарного масштаба, обусловленной перемещающимся суточным циклом нагревания и связанными с этим атмосферными приливами.

  Рис. 14. Суточный ход температуры (1), атмосферного давления (2), скорости (3) и направления (4) ветра по данным измерений со спускаемого аппарата «Викинг-1» в течение первого сола (марсианских суток) функционирования СА после посадки 20 июля 1976 г.

Сопоставление данных прямых измерений температуры воздуха на высоте 1,6 м со спускаемого аппарата и дистанционных измерений температуры подстилающей поверхности со спутника (рис. 15) выявляет близкое соответствие перед восходом Солнца, но наличие сильного контраста температур «подстилающая поверхность—воздух» (до 25°С) днем, что аналогично условиям земных пустынь, свидетельствует об интенсивной конвекции в дневное время.

  Рис. 15. Суточный ход температуры воздуха у поверхности Марса по данным прямых измерений со спускаемого аппарата за первые три сола (3), температуры поверхности по данным дистанционных измерений с ИСМ (I) и теоретического моделирования (2).

Показателем конвекции являются также данные о коротко-периодической изменчивости температуры и ветра. Минимум температуры имеет место вскоре после восхода Солнца (5 ч 24 мин местного времени) при среднем значении (за трое суток), равном 188 К. Перерыв в работе линии связи не позволил точно определить момент максимума температуры. Интерполяция привела к выводу, что он имел место примерно в 15 ч 30 мин при среднем значении 244 К. Измерения давления выявили суточный ход с амплитудой около 0,2 мбар. Минимум давления наблюдается примерно через 4 ч после полудня, а максимум — через 4 ч после полуночи. Среднее давление за первые трое суток составило 7,65 мбар.

Сопоставление с изображениями поверхности привело к выводу о том, что эоловый рельеф не обусловлен наблюдаемым полем ветра и является, по-видимому, следствием предшествующей атмосферной циркуляции.

Выполненный позднее [43] анализ данных метеорологических наблюдений за первые 20 солов подтвердил сделанный ранее (по данным за трое марсианских суток) вывод о высокой повторяемости суточных ходов температуры, ветра и атмосферного давления. Это дало основание для осреднения всех полученных данных с целью характеристики климатических особенностей рассматриваемой точки в летнее время. За период 20 солов ареоцентрическая долгота Солнца изменилась в пределах 98-108° (долгота 90° соответствует летнему солнцестоянию в северном полушарии).

  Рис. 16. Осредненный по данным СА «Викинга-1» за 20 марсианских суток суточный ход температуры воздуха.

Осредненный суточный ход температуры воздуха (рис. 16) характеризуется максимумом 241,8 К в 15 ч 00 мин местного времени и минимумом 187,2 К в 05 ч 00 мин (непосредственно перед восходом Солнца), что (с точки зрения вариаций, но не абсолютных значений) типично для условий земной пустыни (для сравнения Хесс с соавторами использовали данные для пустыни Мохаве в Калифорнии). Естественно, что амплитуда суточного хода температуры на Марсе значительно больше земной, поскольку гораздо большие вариации претерпевает температура подстилающей поверхности (это обусловлено малой плотностью марсианской атмосферы).

Подобными для Марса и земной пустыни являются отношения первой (суточной) и второй (полусуточной) гармоник суточного хода атмосферного давления, но вариации атмосферного давления на Марсе по отношению к среднесуточному значению в 5 раз больше, чем на Земле. Полусуточная волна в ходе давления обусловлена (как и в условиях земной пустыни) полусуточным солнечным приливом. Значительно более сложна природа суточной волны, определяемая взаимодействием нескольких факторов.