- Интересно о планетах
Итак, после прошлой статьи о том, каким на самом деле может быть цвет марсианского неба (статье о небе здесь>>), появились и вопросы и возражения. Одно из них касалось того, что не может много пыли висеть в разреженном воздухе и менять цвет неба. Конечно, мои выкладки и рассуждения приблизительные и дилетантские, и за лучшим ответом лучше обратиться к ученым астрофизикам. И все же, возможно ли, что пыль "живет" в атмосфере Красной планеты?
Что ж, давайте разбираться.
По разным оценкам (можно взять за основу Википедию или другие источники) в атмосфере Марса после пылевых бурь содержится от 100 млн тонн до 1 миллиарда тонн пыли. Это в 5-6 раз превышает количество пыли в атмосфере Земли - 15-20 миллионов тонн (источник). Причем основное количество пыли в нашей атмосфере (75%) появляется за счет промышленных выбросов. Предположим, что в "тихую" погоду на марсе количество пыли сокращается в 100 раз и получим от 1 до 10 миллионов тонн, Если примем среднее количество в 5 миллионов тонн, то это в три раза меньше, чем на Земле.
Если мы возьмем 80-километровый слой атмосферы Земли при радиусе нашей планеты в 6370 км и такой же 80 км слой атмосферы Марса при его радиусе 3390 км, то легко посчитать, что объем такого слоя земной атмосферы составляет 39400 миллионов кубических километров, а объем этого слоя атмосферы Марса - всего 11300 миллионов кубических километров. То есть в 3,5 раза меньше. Поправьте, если я неправ.
Все это говорит о том, что рассеяние света в запыленной атмосфере Марса даже в самые "чистые" периоды сравнимо с рассеянием в загрязнением крупном мегаполисе. Так что именно в крупных и загрязненных городах отчасти можно наблюдать оптические эффекты от взешенной пыли, сравнимые с тем, что есть на Марсе.
К слову сказать, глобальные пылевые бури могут длиться на Марсе по несколько недель, но повторяются раз в 4-6 лет, в то время как локальные бури периодически происходят в разных точках поверхности планеты, и чаще наблюдаются в приполярных областях, смещаясь к экватору. Вне зависимости от размера бурь, они часто создают пылевые столбы, выносящие пыль на высоту до 80 км. На нашей планете такое возможно только при редких и мощных извержениях вулканов, бывающих раз в 100-200 лет.
А теперь давайте посмотрим на физику осаждения мелких частиц. На основании той же Википедии, размер частиц в атмосфере Марса составляет в основном 1-1,5 мкм (микрометр - это одна миллионная метра, или одна тысячная миллиметра). Наверняка вы замечали, что монетка, выпущенная из рук, оказывется на полу через мгновение. Но если в луче света лампы вы увидите пылинки, то они не спешат падать, хотя находятся в поле той же гравитации. Виной всему - сопротивление воздуха. И что интересно, так называемая "парусность" предметов, то есть чувствительность к сопротивлению воздуха, увеличивается не с ростом размера, а с его уменьшением (при равной плотности, разумеется).
Скорость оседания частиц в поле гравитации рассчитывается по закону Стокса. Вот он:
Здесь r - радиус частицы, g - ускорение свободного падения, "мю" в знаменателе - это динамическая вязкость, а две величины в скобках - это плотность частицы, из которой вычитается плотность атмосферы. В случае Марса мы плотностью атмосферы вообще можем пренебречь, поскольку она очень разреженная.
Итак, если диаметр частицы 1,5 мкм (микрометр - это одна миллионная метра), то ее радиус 0,75 мкм. Ускорение свободного падения на Марсе равно примерно 3,7 м/сек.кв. Плотность легких частиц возьмем равной 2000 кг/куб.м, характерная для оксида кремния. Она может быть и меньше, так как по данным аппарата MarsExpress, на момент проводимых в 2014 году исследований, основным компонентом пыли являлся лед (плотность 900 кг/куб.м), плюс аэрозоли. Но пусть будет 2000.
Динамическая вязкость зависит от числа Рейнольдса, и в случае разреженных газов она равна примерно 15 мкПа*с (основной компонент атмосферы - углекислый газ). Введем эти данные и посчитаем:
Легко посчитать, что столь низкая скорость приведет к тому, что за год частица опустится всего на:
То есть если пыльная буря "вознесла" частицы на высоту 50 км, они будут осаждаться на 2 км в год. Поэтому им потребуется 25 лет, чтобы достичь поверхности. Но за это время обязательно случится еще одна буря, так что все начнется сначала.
Несмотря на то, что эти законы не проходят в школе, сами формулы не слишком сложны, и вы сами можете сделать расчеты.
Конечно, более крупные частицы будут осаждаться быстрее. Более плотные частицы будут осаждаться быстрее. Но здесь важно помнить еще и о том, что нагрев частиц приводит к нагреву атмосферного газа вокруг них, и в верхних слоях запыленной атмосферы будут создаваться восходящие потоки. В общем, картина гораздо сложнее, чем та, которую мы привыкли видеть на Земле, где прошла песчаная буря, и вскоре вся пыль осела.
Кстати, вот как выглядит днем небо в запыленном мегаполисе:
Здесь не вся солнечная энергия доходит до Земли. Но само небо "светлое", благодаря рассеянному свету. А вот на контрасте солнце и синее небо в не-урбанизированной местности:
Да, солнце "ярче", но небо заметно темнее. Так что и на Марсе из-за постоянной запыленности небо не будет иссиня-черным, как многие говорят. Возможно, темное небо можно наблюдать только в зените, и только в периоды, когда долгое время нет ветров и бурь. А в основном ситуация другая.
На этом все, дорогие друзья. Мы не копаем тему слишком глубоко. Но на приведенных примерах, думаю, понятно, почему пыль в разреженной атмосфере Марса висит так долго. И в завершении пара вопросов:
- Что мне не удалось объяснить?
- Какие еще возникают вопросы?
Нравятся ли вам такие статьи?
Расскажите, пожалуйста, в комментариях.
И до встречи в следующих заметках и статьях!