Магнитосфера
Она захватывает плазму солнечного ветра, что способствует выветриванию поверхности планеты. Маринер-10 обнаружил низкую энергию плазмы и всплески энергичных частиц в хвосте, указывающие на динамические эффекты.
MESSENGER обнаружил много новых деталей, таких как таинственные утечки магнитного поля и магнитные торнадо. Эти торнадо представляют собой витые пучки, которые идут от планетарного поля и соединяются в межпланетном пространстве. Некоторые из этих торнадо могут иметь размер от 800 км в ширину до трети радиуса планеты. Магнитное поле отличается асимметрией. Космический аппарат MESSENGER обнаружил, что центр поля смещен почти на 500 км севернее от оси вращения Меркурия.
Из-за этой асимметрии, южный полюс Меркурия меньше защищен и подвержен гораздо большему облучению агрессивными солнечными частицами, нежели северный полюс.
Общие сведения
На Марсе есть магнитное поле, которое представляет собой остатки древних магнитных полей. Оно похоже на поля, найденные на дне океанов Земли. Ученые считают, что их присутствие является возможным признаком того, что у Марса была тектоника плит. Но другие данные свидетельствуют о том, что эти движения литосферных плит прекратились около 4 миллиардов лет назад.
Полосы поля достаточно сильны, почти так же, как у Земли, и могут распространяться на сотни километров в атмосферу. Они взаимодействуют с солнечным ветром и создают полярные сияния так же, как и на Земле. Ученые наблюдали более 13 000 этих сияний.
Отсутствие планетарного поля означает что ее поверхность получает в 2,5 раза больше излучения, чем Земля. Если люди собираются исследовать планету, необходим способ оградить человека от вредного воздействия.
Одно из последствий отсутствия, у планеты Марс магнитного поля — невозможность присутствия жидкой воды на поверхности. Марсоходы обнаружили большое количество водяного льда под поверхностью, и ученые считают, что там может быть жидкая вода. Недостаток воды добавляет препятствий, которые инженеры должны преодолеть для того, чтобы изучить, и впоследствии колонизировать, Красную планету.
Магнитное поле Марса
В то время, когда Марс был очень похож на Землю на нём, так же как и на Земле, существовало магнитное поле. Глобальным оно существовало относительно недолго и со временем исчезло совсем по ряду причин. Сейчас оно обширно, но не глобально. Удивительно, но на Марсе есть локализованные районы где магнитное поле проявляется сильней чем на других районах. Магнитное поле Марса изучается учеными с Земли и космическими зондами на орбите и классифицируется как особенности Марса. В этих районах оно составляет 0.2 – 0.3 Гаусса, эти поля приблизительно равны земного магнитному полю. Карта Марса отображает поверхность Марса и районы магнитных полей планеты.
На этом изображении показаны места с сильными и слабыми районами марсианского магнитного поля
Строение Марса и магнитное поле связаны. Магнитное поле слабое из-за нестабильной работы механизма планетарного динамо, который и является ответственным за работоспособность планетарного магнитного поля. Планетарное динамо на Марсе, в отличии от Земли, не работает. Железное ядро этой планеты сейчас неподвижно относительно марсианской коры, что и ослабляет действие защитного поля. Есть 2 теории об появлении и исчезновении магнитного поля Марса:
Первая теория исчезновения.
Согласно этой теории, Красная планета имела стабильное глобальное магнитное поле, схожее с земным. Но все это было разрушено столкновением Марса с каким-то космическим телом больших размеров. Это столкновение послужило началу остановки ядра планеты и, следовательно, поле начало ослабевать и, со временем, утратило своё глобальное действие на планете. Но оно совсем никуда не пропало, а лишь утратило свой глобальный масштаб. Теперь же поле можно найти не на всех районах планеты. В каких-то районах оно намного сильней, чем в других. Это очень удивительно, ядро на Марсе каким-то образом делает одни участки планеты более защищенными чем другие. Это необходимо знать, если в будущем человечество захочет покорить Красную планету и организовать на ней колонию, которой можно будет относительно безопасно проживать на поверхности Красной планеты.
Вторая теория исчезновения.
Эта теория совершенно противоположна первой. Согласно ей, Марс не имел магнитного поля. Эта теория говорит о том, что Марс как планета начала существование без одной из главных защит. Получается, что после зарождения планеты и длительное время после этого железное ядро в центре планеты было неподвижным и не создавало никаких магнитных импульсов, защищающих планету. Но ученые так же говорят о том, что оно в один прекрасный момент чудом появилось. Все это благодаря всем известному газовому гиганту солнечной системы – Юпитеру. Магнитное поле у этого гиганта настолько сильное, что может отталкивать со своих первоначальных направлений не только какие-нибудь электрические заряды, но даже и космические объекты внушительных размеров. Так и случилось много лет назад, поле Юпитера оттолкнуло астероид и направило его прямиком на Марс. Но этот астероид не упал на Марс, а был чудом захвачен его орбитой.
В результате приливной силы астероида, всего за несколько десятков тысяч лет в ядре Марса начались конвективные потоки, которые и пробудили ядро планеты и, следовательно, послужили созданию магнитного поля. Со временем астероид все ближе и ближе приближался к поверхности Марса, усиливая его действие. Но после истечения нескольких миллионов лет, астероид разрушился и Марсианское магнитное поле начало постепенно исчезать, что сейчас и наблюдается учеными. Полет человека на Марс поможет в изучении Марса и его магнитного поля.
На видео под этой статьей можно увидеть сравнение магнитных полей Земли и Марса.
Немного о геологии Венеры
Подавляющая часть поверхности планеты сформирована продуктами базальтового вулканизма и представляет собой совокупность лавовых полей, стратовулканов, щитовых вулканов и прочих вулканических структур. Ударных кратеров обнаружено мало, и на основании подсчета их количества был сделан вывод о том, что не может быть старше полумиллиарда лет. Признаки тектоники плит на планете не прослеживаются.
На Земле тектоника плит совместно с процессами мантийной конвекции служит главным механизмом теплоотдачи, но для этого требуется достаточное количество воды. Надо думать, на Венере из-за недостатка воды тектоника плит либо прекратилась еще на раннем этапе, либо вообще не состоялась. Так что избавляться от излишков внутреннего тепла планета могла только путем глобального поступления на поверхность перегретого мантийного вещества, возможно, с полным разрушением коры.
Именно такое событие могло иметь место около 500 млн лет назад. Не исключено, что в истории Венеры оно было не единственным.
Необходимо и достаточно
Известные кинематические модели магнитного динамо сочетают генерацию магнитного поля в планете с жидким проводящим ядром и вращением планеты. Это необходимые условия. Некоторая количественная характеристика общих условий, при которых возможна генерация поля, определяется значением числа Рейнольдса, большим 10. Мощность, необходимая для поддержания магнитного динамо Земли, оценивается величиной 1019 эрг/сек. Полагают, что в ядре Земли ничтожно мало радиоактивных элементов. Для поддержания гидромагнитного динамо необходимо допустить существование других источников энергии.
Какой «мотор» приводит в движение планетарное динамо? По мнению некоторых специалистов, в Земле все еще продолжается образование жидкого ядра. Стекание железа из мантии в ядро и служит источником энергии динамо. Другие, наоборот, считают, что продолжается рост внутреннего твердого ядра. Выделяющаяся скрытая теплота служит источником энергии динамо. Всплытие легкого кремния, сопровождающее процессы кристаллизации, приводит в действие динамо.
Наконец, существует предположение, что ни один из тепловых источников конвекции не может быть привлечен в качестве источника энергии для земного динамо из-за низкого коэффициента полезного действия. Согласно этому предположению, земное динамо приводится в действие прецессионным движением Земли. Прецессия оси вращения Земли с периодом 25 600 лет вызвана гравитационными полями Солнца и в большей степени Луны. В конечном счете энергия для прецессирующего динамо идет из запасенной в земном вращении кинетической энергии. Оценки мощности земного динамо в работах различных авторов отличаются на порядки величин. Поэтому пока нет основания исключать любой из перечисленных механизмов. Возможно, что вклад какого-либо из них преобладает.
Таким образом, модели земного динамо ограничивают распространенность магнитных полей, созданных механизмом динамо, некоторыми условиями. По-видимому, «магнитная» планета непременно должна отличаться большим жидким проводящим ядром, значительной скоростью углового вращения и, как следствие,— динамическим сжатием. Кроме того, необходимо допустить существование одного или совокупности следующих условий: достаточное для поддержания тепловой конвекции количество радиоактивных элементов, продолжающаяся дифференциация вещества, массивный спутник у планеты (или значительное неоднородное гравитационное поле).
Гравитация на Марсе
Есть ли гравитация на Марсе? Гравитацией называют силу, с которой все тела во Вселенной притягиваются друг к другу. Такое взаимодействие возможно благодаря гравитационному полю, которым обладает абсолютно каждое тело. Сила гравитации выражается с помощью Закона всемирного тяготения, сформулированного И. Ньютоном. Он гласит: сила притяжения тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Этот физический закон можно выразить с помощью формулы F=G*m1m2/r2, где:
G –гравитационная постоянная Марса. Равна 6,67*10 -11
M1 – Масса первого тела
М2 – масса второго тела
R – расстояние между ними.
Притяжение Марса и какого-нибудь другого тела также можно определить с помощью этого закона.
Магнитное поле
Существование магнитного поля Марса подтверждено относительно недавно. Магнитное поле довольно слабо. Планета постоянно испытывает воздействие солнечного излучения и ветра. Данный фактор и стал причиной отсутствия на Марсе жизни. Современное магнитное поле представляет собой остаток древних магнитных полей. Но полосы поля могут покрывать большое расстояние. Солнечное излучение воздействует на Марс с силой, в 2,5 раза больше, чем на Землю. Вода в её жидком виде не может присутствовать на планете.
Около 4 млрд. лет назад Марс обладал магнитным полем, подобным земному. Оно существовало довольно непродолжительный срок, а затем исчезло.
Существует несколько теорий, объясняющих причины исчезновения магнитного поля:
• Охлаждение ядра из-за которого динамо-машина планеты прекратила свою работу.
• Большой астероид, который изначально вращался на орбите. Он поддерживал существование магнитного поля планеты, пока не упал на неё. Исчезновение астероида послужило причиной утраты магнитного поля.
• Магнитное поле является результатом обогащение коры железом. Таким образом, на данный момент мы наблюдаем эффект остаточного магнетизма. Либо же магнитное поле в настоящее время переходит через нулевое значение.
Сутки длятся 24 часа 37 минут. Ось вращения имеет угол наклона, почти такой же, как и у Земли. Времена года сменяют друг друга почти также, как и на Земле. Климатические пояса также схожи с земными. Марс находится на большем расстоянии от Солнца, чем Земля. Поэтому год длится 687 суток. На южном полушарии лето проходит быстро, зима же длится долго. На северном картина другая – быстрое лето и короткая зима.
Почему Венера и Земля столь различны?
Причины серьезного структурного различия двух похожих по физическим характеристикам планет пока не вполне ясны. Согласно одной из недавно построенных моделей, внутренняя структура скалистых планет формируется послойно, по мере прироста массы, а жесткая стратификация ядра препятствует конвекции. На Земле же многослойное ядро, предположительно, было разрушено на заре ее истории в результате столкновения с достаточно крупным объектом — Тейей. Кроме того, итогом этой коллизии считается возникновение Луны. Приливное воздействие крупного спутника на земную мантию и ядро также могут играть значительную роль в конвективных процессах.
Другая гипотеза предполагает, что изначально магнитное поле у Венеры было, однако планета утратила его по причине тектонической катастрофы или серии катастроф, речь о которых шла выше. Помимо этого, в отсутствии магнитного поля многие исследователи «винят» слишком медленное вращение Венеры и малую величину прецессии оси вращения.
Для чего NASA хочет создать искусственное магнитное поле на планете
Если бы давление атмосферного воздуха на Марсе составило хотя бы 33-50% от земного, будущие колонизаторы смогли бы находиться на его поверхности в какое-то время суток без скафандров, применяя лишь аппарат для дыхания. Повысить давление можно, защитив Красную планету от солнечного ветра с помощью создания искусственной магнитосферы, потому что естественную восстановить уже невозможно.
Нужные импульсы будут производиться большим диполем или 2 равными по величине противоположно заряженными магнитами.
Уже через нескольких лет после создания магнитного щита марсианское атмосферное давление на Марсе достигнет 50% от земного. Чуть позже себя проявит парниковый эффект, на планете станет теплее, расположенный близко к поверхности лед растает, глубокие впадины начнет заполнять вода. Красная планета станет чуть более пригодной для жизни.
Особенности венерианской атмосферы
Венера имеет чрезвычайно плотную атмосферу, состоящую главным образом из углекислого газа с малой примесью азота, сернистого ангидрида, аргона и некоторых других газов. Такая атмосфера служит источником необратимого парникового эффекта, не позволяя поверхности планеты сколько-нибудь остыть. Возможно, за состояние атмосферы «утренней звезды» также ответственен вышеописанный «катастрофический» тектонический режим ее недр.
Наибольшая часть газовой оболочки Венеры заключена в нижнем слое — тропосфере, простирающейся до высот около 50 км. Выше лежит тропопауза, а над ней — мезосфера. Верхняя граница облаков, состоящих из диоксида серы и капель серной кислоты, находится на высоте 60-70 км.
В верхних слоях атмосферы газ сильно ионизируется солнечным ультрафиолетом. Этот слой разреженной плазмы называется ионосферой. На Венере он расположен на высотах 120-250 км.
Почему у Венеры нет магнитного поля?
Это магнитное поле защищает нашу планету от сильного солнечного излучения. Однако это не происходит на Венере и есть несколько гипотез объясняющих это. Во-первых, ядро ее полностью затвердело. Ядро Земли по-прежнему частично расплавлено и это позволяет ему производить магнитное поле. Другая теория гласит, что это связано с тем, что планета не имеет тектоники плит, как Земля.
Когда космические аппараты ее исследовали, они обнаружили, что магнитное поле Венеры существует и в несколько раз слабее чем у Земли, однако, солнечное излучение оно отклоняет.
Ученые теперь полагают, что поле, на самом деле, является результатом работы ионосферы Венеры, взаимодействующей с солнечным ветром. Это означает, что планета имеет индуцированное магнитное поле. Однако подтвердить это дело будущих миссий.
Венера по некоторым характеристикам очень похожа на Землю. Однако две эти планеты имеют и существенные различия, обусловленные особенностями формирования и эволюции каждой из них, и ученые выявляют все больше таких особенностей. Мы рассмотрим здесь подробнее один из отличительных признаков — особый характер магнитного поля Венеры, но сначала обратимся к общей характеристике планеты и некоторым гипотезам, затрагивающим вопросы ее эволюции.
Венера в Солнечной системе
Венера — вторая по близости к Солнцу планета, соседка Меркурия и Земли. Относительно нашего светила она движется по практически круговой орбите (эксцентриситет венерианской орбиты меньше, чем земной) на расстоянии в среднем 108,2 млн км. Следует отметить, что эксцентриситет — величина изменчивая, и в далеком прошлом он мог быть иным вследствие гравитационных взаимодействий планеты с другими телами Солнечной системы.
Естественных не имеет. Существуют гипотезы, согласно которым некогда у планеты был крупный спутник, впоследствии разрушенный действием приливных сил либо утраченный.
Некоторые ученые полагают, что Венера испытала столкновение по касательной с Меркурием, в результате чего последний был отброшен на более низкую орбиту. Венера же изменила характер вращения. Известно, что планета вращается крайне медленно (как, кстати, и Меркурий) — с периодом около 243 земных суток. Кроме того, направление ее вращения противоположно таковому у прочих планет. Можно сказать, что она вращается, как бы перевернувшись вниз головой.
Характеристика Марса
Некоторые порой интересуются, Марс больше Земли или нет? Ответ знают даже дети: Марс одна их самых маленьких планет Солнечной системы по размеру.
Ее масса меньше земной в десять раз и составляет 6,417 * 1023 кг. Диаметр тоже сравнительно мал с диаметром Земли, он на половину меньше и составляет 6800 километров.
Сила тяжести здесь тоже невелика всего лишь треть от знакомой людям. Средняя плотность близка к земной 5,427 г/см³.
Перепады температур здесь огромные, поскольку днем на экваторе может потеплеть до +20 градусов по Цельсию, а ночью из-за сногсшибательных ветров опустится до -80.
Орбита имеет овальную форму, и в своей самой дальней точке планета отходит от планеты на 250 миллионов километров, а в самой ближней на 206 миллионов.
Примерно раз в 15 лет Земля и Марс находятся очень близко друг к другу, и тогда на ночном небе «красная» планета видна не хуже Венеры или даже Луны.
Внутри четвертой планеты есть полужидкое железное ядро, радиусом до 1700 километров.
Есть ли у Марса магнитное поле
Магнитосфера космических объектов планетарного типа создается динамо-эффектом. Металлические ядра их расплавлены, активно «плещутся» и рождают электромагнитное поле.
У Марса внутренняя его часть похожа на земную, состоит из железо-никелевого сплава и серы. Теоретически здесь должна существовать и магнитосфера, но это невозможно: ядро планеты застыло. И все же оно тоже создает магнитные импульсы, распространяющиеся в виде полос, похожие на те, что обнаружены на дне земных океанов. Они — доказательство наличия у Красной планеты в далеком прошлом, около 4 млрд лет назад, тектоники плит.
Марсианские магнитные полосы достаточно сильные, они на сотни километров простираются вверх, в местную атмосферу. Взаимодействуя с солнечным ветром, эти импульсы способствуют возникновению полярных сияний, похожих на те, что наблюдают у себя земляне. С момента начала наблюдений за Марсом ученые зафиксировали более 13 тыс. подобных сияющих явлений.
В северном полушарии Красной планеты остаточные магнитные поля более сильные, чем в южном. Это говорит о том, что марсианское ядро могло застыть не в полном объеме.
Тот факт, что магнитосфера не обволакивает Марс полностью, объясняет, почему его поверхность получает солнечного излучения в 2-3 раза больше, чем наша планета.
И это приводит к тому, что:
- будущие колонизаторы Красной планеты должны будут найти способ защититься от вредного действия космической радиации;
- присутствие воды на марсианской поверхности невозможно.
Последнее также представляет собой проблему для человека на Марсе. Марсоходы уже нашли под его поверхностью большие объемы водяного льда, и вода в жидком состоянии также может там присутствовать.
Индуцированная магнитосфера
Именно взаимодействие заряженных частиц солнечного ветра и плазмы верхней атмосферы определяет, есть ли магнитное поле у Венеры. Силовые линии магнитного поля, несомого солнечным ветром, огибают венерианскую ионосферу и образуют структуру, называемую индуцированной (наведенной) магнитосферой.
Эта структура имеет следующие элементы:
- Головная ударная волна, расположенная на высоте приблизительно в треть радиуса планеты. На пике солнечной активности область встречи солнечного ветра с ионизированным слоем атмосферы значительно приближается к поверхности Венеры.
- Магнитослой.
- Магнитопауза — собственно граница магнитосферы, находящаяся на высоте около 300 км.
- Хвост магнитосферы, где растянутые магнитные силовые линии солнечного ветра выпрямляются. Длина магнитосферного хвоста Венеры составляет от одного до нескольких десятков радиусов планеты.
Хвост характеризуется особой активностью — процессами магнитного пересоединения, ведущими к ускорению заряженных частиц. В полярных областях в результате перезамыкания могут формироваться магнитные жгуты, подобные земным. На нашей планете перезамыкание магнитных силовых линий лежит в основе явления полярных сияний.
То есть Венера имеет магнитное поле, формируемое не внутренними процессами в недрах планеты, а влиянием Солнца на атмосферу. Это поле весьма слабое — интенсивность его в среднем в тысячу раз слабее, чем у геомагнитного поля Земли, однако оно играет определенную роль в процессах, протекающих в верхней атмосфере.
Ядро и строение (структура)
Структура Марса схожа с Землёй. Он состоит из ядра, мантии и коры. Чем плотнее слой, тем ниже он залегает. Внутреннее строение планеты Марс относительно однородно. Ядро не обладает большой массой – на него приходится до 9% всей планеты (для земного ядра этот показатель равен 32 %). На поверхности находятся легкие окислившиеся породы. Они образовались внутри планеты, затем поднялись вверх в ходе процессов расплавления и дифференциации недр. Главным элементом мантии является оливин – порода, которая содержит ортисиликаты магния и железа.
Ядро состоит из железа, никеля, серы и кремния. Радиус ядра – 1800 км. Поверхность ядра состоит из силикатной мантии. Основные элементы коры – это кремний, кислород, ядро, железо, кальций и алюминий. Окисление железа сделало планету красной. Мантия лишена тектонической активности. Толщина коры доходит до 125 км, её средний размеры – 50 км. Кора содержит базальт. Большое распространение на Марсе получили хлор, фосфор и сера.
Значительная часть поверхности покрыта кратерами. Это результат падения метеоритов в прошлом. Самый большой кратер находится в Северном полярном бассейне. В геологическом плане Марс занимает нишу между Землёй и Луной: на Марсе происходит поднятие коры, но тектонические плиты не сталкиваются.
В полярных областях располагаются белые шапки. Возможно, в их состав входит вода в виде снега или льда. Зимой они занимают довольно значительную территорию, но к лету их размер уменьшается. Затем они вырастают снова. В начале весны вокруг них образовывается кайма. Это может свидетельствовать о том, что на Марсе происходят процесс таяния и образования снега. 75 процентов планеты состоит из светлых облаков, которые являются пустынями.
В состав атмосферы красной планеты входят:
Углекислый газ – 95%
Азот и аргон – 4%
Кислород и водяной пар – 1%
Атмосферное давление на поверхности составляет 6,1 мбар. Марс не способен долго сохранять тепло, поэтому климат на нём намного холоднее земного. Средняя температура достигает -40% С. Летом она поднимается до -20 С, зимой может опускаться до -125. Разницы в температурах привели к возникновению сильных ветров.
В состав грунта входят следующие элементы: кремнезём с примесями железа, серы, натрия алюминия и кальция. Грунт содержит и водяной лед.
Современные оболочка и особенности строения Марса сформировались в результате длительной эволюции. Геологическая история планеты насчитывает несколько эр:
• Нойская эра (3,8-4,1 млрд лет назад) – в этот период сформировались большие и маленькие кратеры, долины и вулканы. Климат планеты ещё не был столь суров как сегодня, поэтому ученые предполагают наличие рек и озер на красной планете. Период отмечен большой активностью вулканов, которые выбрасывали в атмосферу различные химические соединения. Планета активно подвергалась метеоритным бомбандировкам.
• Гесперийская эра (3,7 – 3 млрд лет назад) – формирование долин идёт на спад, космические тела падают на планету всё меньше. Вулканическая активность проявлялась с такой же силой. Это обусловило кратковременное потепление. Затем климат стал холоднее. Характерны нечастые наводнения. Океан занимал Северную равнину Марса. На планете существовали река и озёра.
• Амазонийская эра – отмечен исчезновением кратеров и снижением вулканической активности. Быстро менялся климат. Марс лишился воды в её жидком виде. В этот период формировался современный рельеф планеты: появились крупнейшие вулканы и большие каньоны. Относительно небольшая масса планеты привела к снижению тектонической активности, исчезновении магнитного поля и атмосферы.