Физики из МФТИ смоделировали марсианскую зиму — Naked Science
26.03.2018
ФизТех

Физики из МФТИ смоделировали марсианскую зиму

3.9

Группа ученых из МФТИ совместно с немецкими и японскими коллегами численно смоделировала распределение водяного пара и льда в атмосфере Марса в течение года.

Физики из МФТИ смоделировали марсианскую зиму / ©belnaviny.by

При расчетах исследователи предположили, что, помимо относительно крупных частиц атмосферной пыли, на которых происходит конденсация пара, необходимо включить в рассмотрение более мелкие, незаметные для приборов частицы. Это позволило получить точную картину, которая лучше согласуется с результатами прямых измерений с орбитальных зондов. Статья опубликована в Journal of Geophysical Research: Planets.

Александр Родин, руководитель лаборатории инфракрасной спектроскопии МФТИ: «Наша модель описывает трехмерные движения воздушных масс в атмосфере планеты, перенос солнечного и инфракрасного излучения, фазовые переходы воды, а также микрофизику марсианских облаков, которая играет ключевую роль в круговороте воды на планете».

<img src="http://old2.naked-science.ru/sites/default/files/images_custom/2018/03/1-bimodal.png" alt="
Рисунок 1. Бимодальное распределение концентрации частиц в зависимости от их размера: пик при радиусе порядка 0,025 микрометра более отчетливый, пик при радиусе около 0,4 микрометра выражен слабее. Изображение: Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Воды на Марсе сравнительно немного, особенно в разреженной холодной атмосфере: если собрать всю взвешенную в атмосфере воду и распределить ее ровным слоем по поверхности планеты, его толщина составит не более 20 микрометров. Тем не менее, даже несмотря на низкую концентрацию, вода оказывает значительное влияние на марсианский климат. Например, облака рассеивают и переизлучают падающее на них инфракрасное излучение, а конденсация льда на аэрозольных частицах очищает атмосферу от пыли. Поэтому для понимания происходящих на Марсе процессов важно разобраться, как именно вода в виде пара и ледяных кристаллов переносится воздушными потоками атмосферы и перераспределяется между сезонными полярными шапками.

Впервые воду на Марсе нашли еще в 1963 году, а затем подробно исследовали с помощью большого числа приборов, установленных на орбитальных аппаратах, посадочных платформах и марсоходах — начиная от космического аппарата «Маринер-9» и заканчивая межпланетной станцией «ЭкзоМарс». Кстати, на борту одной из них, «Марс-экспресс», установлен российский инструмент SPICAM, также изучающий атмосферу планеты. Используя результаты измерений, ученые разработали модель марсианской атмосферы, которую впоследствии значительно уточнили и проверили с помощью численных расчетов.

Физики из МФТИ смоделировали марсианскую зиму
Рисунок 2. Сравнение плотности водяного пара в зависимости от времени года (ось x) и высоты (ось y). Картинка (a) отвечает экспериментальным данным, картинка (b) — численному моделированию, картинка (c) — разности первых двух. Изображение: Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Тем не менее результаты расчетов не всегда согласуются с данными реальных измерений. Все разработанные численные модели учитывают конденсацию воды на аэрозольных частицах, взвешенных в атмосфере: как известно, облака прежде всего возникают именно вокруг таких частиц (подробнее можно прочитать в статье Льва Тарасова «Почему образуются облака?»). Получается, результаты моделирования существенным образом зависят от распределения этих частиц по размерам, которое известно не так хорошо. Считается, что это распределение имеет всего один максимум. Впрочем, последние наблюдения указывают на то, что в отдельные сезоны оно может иметь два пика — по-научному такое распределение называется бимодальным.

Рисунок 3. Распределение плотности водяного пара над поверхностью планеты в период марсианского лета в северном полушарии. Стрелками отмечено направление ветров. Изображение: Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.
Рисунок 3. Распределение плотности водяного пара над поверхностью планеты в период марсианского лета в северном полушарии. Стрелками отмечено направление ветров. Изображение: Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

В своей работе группа ученых под руководством Александра Родина и Пауля Хартога построила модель гидрологического цикла Красной планеты, учитывая бимодальность распределения концентрации аэрозольных частиц по размерам. Для этого они использовали модель общей циркуляции атмосферы Марса MAOAM (Martian Atmosphere Observation and Modeling — моделирование и наблюдение за марсианской атмосферой), разработанную в институте имени Макса Планка. Опираясь на надежный трехмерный расчет циркуляции атмосферы, физики построили теоретическую модель процессов, которая позволяет качественно объяснить фазовые переходы воды и ее перенос атмосферными потоками.

В результате ученые выяснили, что наибольшая концентрация воды достигается над северным полюсом в тот момент, когда в соответствующем полушарии наступает лето. По мере приближения зимы плотность водяного пара, взвешенного в атмосфере, постепенно снижается — это может указывать на конденсацию воды и выпадение в виде осадков на поверхность планеты. Результаты расчетов практически полностью совпали с картой, построенной на основании наблюдений SPICAM: небольшие расхождения наблюдались только около периодов наибольшей концентрации воды в атмосфере.

Рисунок 4. Распределение льда по широте (ось x) и высоте (ось y): данные эксперимента (a), моделирования с бимодальным (b) и мономодальным (c) распределением. Изображение: Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.
Рисунок 4. Распределение льда по широте (ось x) и высоте (ось y): данные эксперимента (a), моделирования с бимодальным (b) и мономодальным (c) распределением. Изображение: Дмитрий Шапошников и др., Journal of Geophysical Research: Planets.

Кроме того, физики аналогичным способом рассчитали плотность и распределение в атмосфере облаков, состоящих из микроскопических кристаллов льда. Оказалось, наибольшее количество льда содержалось над экваториальными областями планеты в то же время, когда над северным полюсом плотность водяного пара была максимальной (то есть в течение северного лета).

Исследователи подчеркивают, что результаты моделирования с использованием бимодального распределения отличаются от расчетов, в которых распределение частиц по размерам имело всего один максимум, и лучше согласуются с экспериментальными данными. Так, обычные расчеты несколько занижают высоту ледяных облаков и хуже согласуются с экспериментом в периоды, когда водяной пар достигает наибольшей плотности.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 17:42
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

Вчера, 18:00
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

Вчера, 21:09
Илья Ведмеденко

Российские специалисты разрабатывают четырехдвигательную версию пассажирского Ил-114. Это позволит повысить дальность и грузоподъемность крылатой машины.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: