На Марсе, четвертой планете от Солнца, регулярно происходят сильные пылевые бури, которые практически полностью останавливают производство электроэнергии для оборудования, доставленного с Земли. Это может создать серьезные трудности во время запланированных пилотируемых миссий в 2030-х годах. Причиной этих бурь является необычная особенность распределения энергии на планете: марсианский экватор и тропические зоны испытывают дефицит энергии, в то время как полюса обладают её избытком. Это существенно отличается от ситуации, наблюдаемой на Земле.
Международная группа ученых провела сравнение изображений Земли и Марса, полученных космическими аппаратами в инфракрасном спектре. Анализ показал, что на Земле экваториальные и тропические регионы получают больше энергии, чем отдают, в то время как на Марсе наблюдается противоположная ситуация. Результаты исследования были опубликованы в научной статье опубликована в журнале AGU Advances.
В приполярных областях Земли ледяной покров эффективно отражает солнечный свет в космос, однако слабо задерживает инфракрасное излучение, исходящее от поверхности. Это связано с тем, что основной парниковый газ, удерживающий ИК-излучение в земной атмосфере, – водяной пар. Его концентрация у полюсов минимальна, а в тропических и экваториальных зонах достигает максимума. Этот газовый слой препятствует потере энергии, полученной низкими широтами от Солнца. Избыток энергии в низких широтах «переносится» в высокие посредством ветров и циклонов, без которых зона умеренного климата представляла бы собой бесплодную и холодную пустошь.
Определить ситуацию на Марсе оказалось значительно сложнее. Несмотря на предпринимавшиеся попытки, они не охватывали многолетние наблюдения с высоким разрешением, поэтому по-настоящему масштабные пылевые бури не были зафиксированы. Исследователи использовали данные, полученные от Mars Global Surveyor – аппарата NASA, функционировавшего на околомарсианской орбите два десятилетия назад. Полученное изображение энергетического баланса оказалось нетипичным: тропики и даже экватор Марса характеризуются дефицитом энергии, в то время как приполярные области, наоборот, обладают избытком.
Ученые полагают, что причиной послужило крайне низкое содержание водяного пара в атмосфере Марса, обусловленное слишком низкой температурой. Средняя температура на Красной планете на 80 градусов Цельсия ниже, чем на Земле (-64°C против -15°C). В связи с этим, дневная тепловая энергия, полученная в тропиках и в районе экватора, легко рассеивалась в космос в ночное время.
В приполярных областях ситуация отличается: значительное солнечное излучение поступает лишь в течение местного лета, когда ночи короткие. В связи с этим, потери энергии в ночное время не столь существенны. В зимний период потери энергии были бы значительными из-за продолжительных ночей, однако на практике в это время года поступление солнечной энергии и днем минимально (Солнце находится низко над горизонтом), что приводит к небольшим общим потерям в течение зимы.
Весной, в южном полушарии Марса, пиковый избыток энергии достигает 80 ватт на квадратный метр площади поверхности. Разница температур, возникающая при нагревании поверхности, являлась причиной начала пылевых бурь, которые точно совпадали по времени с моментом максимального избытка энергии при смене сезонов. Огромные объемы пыли переносились то на незначительные расстояния, то на масштабы всей планеты. Ярким примером является 2001 год, когда Марс был охвачен глобальной пылевой бурей. Она снизила поглощение солнечного тепла, но в то же время уменьшила потери тепла марсианской поверхностью (инфракрасное излучение не могло проникать сквозь пыль). Таким образом, хотя локальный избыток энергии в высоких широтах снижался, энергетический баланс планеты в целом не ухудшался.
Полученные сведения значимы по двум причинам. Прежде всего, они прояснили механизм возникновения крупных пылевых бурь на Марсе: эти бури переносят энергию с высоких широт на более низкие. Это позволит совершенствовать прогнозы о местных пылевых бурях, что имеет огромное значение для будущих пилотируемых миссий. Действительно, во время таких бурь не функционируют солнечные батареи, и даже атомные реакторы столкнутся с трудностями в системе охлаждения. Пыль препятствует излучению тепла от радиаторов и блокирует обдув. Таким образом, участникам пилотируемых экспедиций необходимо заранее знать, в какие периоды следует воздержаться от активных действий и оставаться на базе.
Во-вторых, анализ «перевернутого» энергетического баланса Марса указывает на то, что его терраформирование, например, путем подогрева ледяных шапок с использованием орбитальных зеркал, может оказаться значительно менее сложной задачей, чем предполагалось ранее. Поскольку высокие широты поглощают больше энергии от падающего излучения, чем отдают, их нагрев может быть осуществлен легче, чем в случае с Землей. К удивлению, некоторые специалисты рассматривают подобный подход к терраформированию как более выгодный по сравнению с другими вариантами.