Физики из МФТИ смоделировали марсианскую зиму

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».

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.

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.

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.

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.

ФизТех

381 статей

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.

Показать больше