При определении поля ветров удобным приближением служит понятие геострофического потока, или геострофического ветра, соответствующего условию, когда градиенты горизонтального давления сбалансированы силами Кориолиса. Сила такого термического ветра зависит от градиента давления и направлена вдоль линий изобар.
Влияние сил Кориолиса на форму движений характеризуется числом Россби:
Ro=U/2Lsin,
где U – типичная горизонтальная скорость движений, L – их характерный масштаб, – угловая скорость вращения планеты, – широта. Силы Кориолиса являются преобладающими при Ro<=1.
Данная схема является весьма идеализированной. Реальный характер циркуляции определяется наложением нескольких типов движений, степень неупорядоченности которых сильно зависит от угловой скорости вращения планеты. На вращающейся планете развиваются волновые движения, называемые волнами Россби. С ростом угловой скорости и при больших перепадах температур вдоль меридиана такие волны становятся неустойчивыми, при их разрушении возникают вихри.
В анализе теплового режима планетной атмосферы обычно используется понятие о постоянной тепловой релаксации , характеризующей время реакции атмосферы на тепловое возмущение. Эта постоянная представляет собой отношение теплосодержания единичного атмосферного столба к величине излучаемой энергии, пропорциональной четвертой степени эффективной температуры, т.е. характеризует время, за которое запасенная энергия высветится:
=mCpTср/Te4.
Таблица 3.
Эффективная температура и параметры тепловой инерции Марса
| Te, K | Tср, K | |
| 216 | 235 | 3*105 |
Атмосфера Марса практически прозрачна для приходящего солнечного излучения, и постоянная тепловой релаксации у него на два-четыре порядка меньше, чем у Венеры и Юпитера, чьи атмосферы намного более плотные. На Марсе, вследствие малой тепловой инерции грунта и малой теплоемкости атмосферы, поверхностная температура оказывается близкой к ее местному лучисто-равновесному значению в каждой точке планеты. В связи с этим более резко выражена суточная составляющая скорости ветра.
Важным метеорологическим фактором в марсианской атмосфере является четко выраженная сезонная вариация давления вследствие конденсации углекислого газа в зимней полярной шапке. Этот эффект обнаружен экспериментально в обоих местах посадки аппаратов "Викинг". Наблюдения охватывают почти целиком марсианский год в северном полушарии планеты. Самый глубокий минимум давления (примерно 120-е сутки от начала измерений) составляет ~7 мбар и соответствует максимальной аккумуляции CO2 к концу зимы на южной полярной шапке, а другой минимум (430-е сутки) ~8,5 мбар – его вымерзанию на северной шапке. Эти минимумы оказываются вблизи осеннего и весеннего равноденствия, в то время как максимум давления наблюдается вблизи перигелия во время зимнего солнцестояния и составляет ~9,7 мбар. С таким общим изменением давления связана перестройка циркуляционной системы, а локальные флуктуации отражают изменения ветрового режима, в том числе возникновение пылевых бурь. По результатам измерений температуры атмосферы Марса в инфракрасном диапазоне, по данным о перемещении пыли на поверхности и данным непосредственных измерений с посадочных аппаратов получены оценки интенсивности и смены направлений ветра в различные периоды времени. Летом в тропических широтах на высотах 15-20 км преобладают западные ветры со скоростью 30-50 м/с, в то время как в тропосфере у поверхности направление ветра испытывает сильные суточные изменения, а среднесуточная составляющая мала, меньше 10 м/с. Наибольшей скорости (порядка 70-100 м/с) ветер достигает во время сильных пылевых бурь, обычно совпадающих с периодами противостояний Марса. Измерения, проводившиеся во время пылевой бури 1971 г., продолжавшейся около четырех месяцев, дали возможность выявить ряд интересных особенностей этого уникального природного явления, имеющего глобальный характер. Темные облака пыли, поднятой до 10 и более километров, наблюдались по всему диску, полностью сглаживая контрасты на поверхности. Было обнаружено существенное потепление самой атмосферы и более низкая температура поверхности (стремление температурного профиля к изотермическому) вследствие прозрачности атмосферы для солнечного излучения, которое задерживалось пылью. Плотность пылевых частиц в атмосфере со средними размерами 5-10 мкм составляла около 10-9 г/см3. В атмосферу было поднято свыше миллиарда тонн пыли, спектральные характеристики которой по высокому содержанию окиси кремния (около 50%) примерно соответствовали составу поверхностных пород.
10. Проблемы климатической эволюции.
В комплексах атмосферных параметров, соединенных на достаточно больших пространственно-временных интервалах, выявляются статистические закономерности, определяющие климат на планете или в отдельных ее регионах.
Равновесная температура Марса существенно ниже нуля, и отгонявшаяся из недр вода могла находиться на поверхности в жидком состоянии лишь при достаточно плотной атмосфере благодаря парниковому эффекту и росту температуры. Неизвестно, была ли вода на поверхности Марса лишь на определенном этапе эволюции или появлялась регулярно на протяжении длительного периода, но оставленные ею следы в виде высохших речных русел и ледниковых выпахиваний довольно очевидны.
В первом случае следует допустить, что на планете однажды произошло резкое изменение климата, вероятно, где-то в пределах 1 млрд. лет назад, и что до этого момента Марс, проходивший вершину своей геологической эволюции, был больше всего похож на Землю. Такое изменение могло быть обусловлено резким уменьшением выделения внутреннего тепла, с чем естественно связать и заключительный этап вулканической активности на Марсе. Но нельзя исключить, что колебания марсианского климата происходили неоднократно, подобно периодам великих оледенений на Земле. Высказываются даже предположения, что они происходят и сейчас с периодом от нескольких сот тысяч до миллиона лет. Эти предположения основываются на расчетах периодических колебаний наклонения экватора Марса к плоскости его орбиты вследствие приливных возмущений планет и Солнца и соответственно изменения инсоляции на полюсах. Расчеты К.Сагана, П.Гираша и О.Туна привели к выводу о том, что за счет изменения наклонения, эквивалентного колебаниям светимости Солнца, могут быть два предельных устойчивых состояния атмосферы Марса: одно с такой разреженной атмосферой, как сейчас, а другое - с атмосферой, по плотности равной земной. Источником возрастания плотности более чем в 100 раз в данной модели служили полюса, в полярных шапках которых предполагалось вымораживание больших количеств углекислоты. Было показано, что повышенное облучение полюсов за счет большего наклона оси вращения по сравнению с нынешним (примерно на 4-5о), сопровождаемое уменьшением их альбедо, в принципе способно создать такую атмосферу и одновременно растопить водяной лед.
Более поздними измерениями, выполненными "Викингами", не было, однако, обнаружено значительного количества "сухого" льда в шапках в чистом виде. По-видимому, основная масса дегазированной углекислоты находится в марсианском реголите, а также в отложениях тонкодисперсного пылевого материала вокруг полюсов и в напластованиях равнинных областей приполярных широт. Особенно большие наслоения такого грунта следует ожидать в северной полярной области за счет различия инсоляции марсианских полушарий: в северном зима длиннее. Тем не менее и в этом случае равновесное состояние между количеством адсорбированного углекислого газа и его парциальным давлением в атмосфере определяется температурой. Поэтому представления о возможности изменения плотности атмосферы в зависимости от изменения наклона оси вращения в целом остаются, по-видимому, справедливыми.
Конечно, было бы заманчиво поверить, что нам просто не довелось увидеть Марс другим, с более благоприятным климатом, из-за недостаточно большого наклона оси его вращения в современную эпоху и что это посчастливится увидеть нашим далеким потомкам примерно сто тысяч лет спустя. Однако против такой привлекательной гипотезы говорит тот факт, что прорытые водой и ледниками русла и ложбины, по-видимому, образовались раньше, чем относительно более молодые кратеры ударного происхождения на их высохшей поверхности, возраст которых оценивается по меньшей мере в десятки миллионов лет. Поэтому большего внимания заслуживает, на наш взгляд, предположение о циклических изменениях уровня светимости Солнца, выдвинутое американским астрофизиком В.Фаулером в связи с попытками объяснения парадокса солнечных нейтрино. Так называют значительно меньший (примерно в 5 раз) регистрируемый на Земле поток нейтрино от Солнца по сравнению с ожидаемым их выходом в результате реакций термоядерного синтеза, считающихся главным механизмом генерации солнечной энергии. Найденная корреляция этих циклов, повторяющаяся с периодичностью ~108 лет, с великими оледенениями на Земле естественным образом могла бы объяснить как периодические колебания марсианского климата, так и, возможно, значительные климатические вариации на других планетах.