火星の気候：バックトゥザフューチャー

5000万年後の火星の軌道のどこか。



最近まで、太陽系の惑星の気候はほとんど変化していないと考えられていました.1920年にのみ、ミルティンミラノコビッチは軌道の離心率 、地球の回転軸の傾き、およびその歳差運動が周期的な気候変化の合計を引き起こすという考えを提案しました（実際、彼の前に同様の仮定がなされました、ただし、データが不足しているため、このルールを以前より正確に定式化することはできませんでした）。 この規則性は、作者であるミランコビッチのサイクルに敬意を表して命名されました。 1950年、ダーク・ブラウアーとアドリアヌス・ヴァン・フォルカムは、火星軌道の離心率も時間とともに変化し、気候の変化につながることを示唆しました。 しかし、その時点では、それを確認または反証することは不可能でした-火星の飛行まで、最初の地球探査船マリナー-4はさらに15年残っていました。



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しかし、最初の飛行任務でさえ、この問題に関する秘密のベールを開くには低すぎる画像を送信しました。 しかし、すでにマリナー-9 （火星軌道に入って1971年11月14日から1972年10月27日までに取り組んだ地球の探査機の中で初めて）は、ピクセルあたり100-1000メートルの解像度で7000枚以上の質の良い写真を送信することができました。 アリータ・アレクセイ・トルストイとハーバート・ウェルズの世界戦争のファンにとって、ニュースは残念でした。火星でジョヴァンニ・シャパレリが開いたチャンネルは、単なる錯覚であることが判明し、火星自体は生命のない砂漠として現れました。 惑星の温度差は、冬の極での-143°Cから夏の赤道での晴れた日の+ 35°Cの範囲でした。また、惑星の大部分の気圧は非常に低かったため、水氷が蒸気になり、逆もまた液相をバイパスしました。





マリナー-9によって得られた火星の気候の不一致の最初の痕跡：画像の右上隅からその下部の中心にはっきりと見える極冠の層状構造が画像にはっきりと見える。



しかし、良いニュースがありました。このデバイスは、極冠を含む火星の表面の70％以上をキャプチャできました。 それらにクレーターはほとんど見られず、若い年齢を証言しました（推定2000万年）。 また、80番目の平行線から極まで、どこでも層状構造が修正されました。これは、火星の極冠が非常に若い層であるだけでなく、この期間中に周期的に変化することを意味します。 火星の気候の変動性の理論が確認され始めました。







最初のシミュレーションでは、偏心が0.004〜0.141の範囲で変化しました。これは、最新の0〜0.16の推定値とほぼ一致しています。 火星の離心率の現在の値は0.0934と推定されています。これは、地球の0.0167と比較して非常に大きな値であり、水星に次いで2番目です。 火星の動きに関するティコ・ブラーエの観察に基づいて、ヨハネス・ケプラーは惑星の軌道が円形ではなく楕円形であると結論付けることができました。



離心率の変化の周期性も、95千年と200万年の2つの期間によって正しく決定されました（火星の極冠における岩石の堆積速度の測定が困難なため、誤差は2桁と推定されました）。 しかし、軌道傾斜角の変化は誤って推定されました。このパラメーターに対する歳差運動の影響が過小評価されているため、研究者の最初の計算では、現代の0〜80°ではなく15〜35°しか与えられませんでした。





地球の回転軸の歳差運動のアニメーション。 火星では、反対方向に発生します。



火星の重量は地球の約10分の1であるにもかかわらず、そのサイクルにはさらに長い時間がかかります。 地球の場合、歳差運動サイクルには25800年かかりますが、火星の場合は56600年です（歳差運動率は、地球ではそれぞれ50.3 アーク秒 、火星では8.26アーク秒です）。 地球の傾斜軸の周期は41,000年、火星の周期は124,000年です。 惑星の回転軸の歳差運動は興味深い効果をもたらします。それに関連する惑星の回転軸の漸進的な変化は、「極」星のタイトルが時間の経過とともにそれらの1つから別のものに移るという事実につながります。 また、これに伴い、季節の始まりは徐々に「漂流」します。地球では、70.5年ごとに1日戻り、火星では、83.3年ごとに1日進みます。 この場合の変化率は、火星の年自体が地球の1.8倍長いという事実により、ほぼ一致しています。





Mars Global Surveyorの画像からの南極冠の進化。



火星軌道の離心率が高いため、南半球の遠日点 （軌道の最外点）で冬と一致するため、この半球の気候はより厳しく、南極冠は北極冠よりも大幅に大きくなります。 他の興味深い特徴の中で：火星の1日の長さは地球よりも37.4分長くなりますが、火星の回転の減速は地球と比べて3桁小さい速度で発生するため、分離はさらに減少します。私たちの月。



火星の回転軸の傾斜変化の1001 シミュレーション 。



1989年、ラスカーは、地球型惑星のパラメーターがランダムに変化することを発見しました（主に、ランダムに動く小惑星ベストとセレスの影響によるもので、小惑星帯の物体の影響を受けます）。 これは、1000万年以上の期間（この期間はリアプノフ時間と呼ばれる）の火星の軸の傾きと離心率の変化を正確に決定することは不可能であり、5000万年以上の期間はそれらの値の統計的分布をさらに正確に決定することが不可能になるという事実につながります（地球の場合、これらの間隔はそれぞれ5000万年と2億5000万年です。 しかし、1000万年以内の期間では、太陽系のすべての惑星の軌道の特性をかなり高い精度で決定できます。



他の惑星のこれらの指標の研究も非常に興味深い結果をもたらしました：巨大な惑星の軌道のパラメーターは実際に変化しないという事実にもかかわらず、それらの離心率は火星と水星で非常に広範囲にわたって変動しました。 そして水星にとって、それらは非常に大きかったため、数十億年の間隔で、金星に近づくと太陽系から放出される可能性がありました（そのような可能性は過去にあり、将来も残っています）。 また、フェルミパラドックス （他の星に生命の痕跡が見つからない理由の問題）を別の視点から見ることができます。なぜなら、惑星の生命の起源については、その星の居住可能なゾーンで形成する必要があるだけでなく、同時に、また、落下しないように他の惑星と準安定状態にあります。







しかし、火星に戻ります。 推定によると、火星の初期大気は現在の地球の6倍の圧力を持っていましたが、小惑星と彗星（38億年前に起こった） による後期の重爆撃の結果、火星はその大部分を失い、 0.5-1地球の気圧（500- 1000 mbar ）。 しかし、今では火星表面でわずか6 mbarの平均圧力を観測しています。残りはどこに行きましたか？ 最近まで、火星の大気が失われた主な理由は、その中の磁場の消失であると考えられていたため、太陽風の影響下で大気が「吹き飛ばされる」のを妨げなくなりました。



しかし、さらなる研究が示しているように、反対に磁場がないと、その揮発速度が遅くなります。運用の最初の2年間にMAVEN衛星によって測定された大気損失は、年間平均2193トンでした。 これらの測定が太陽の活動の低下について行われ、平均値が数倍高くなることを考慮しても、これはまだ十分ではありません：現代の太陽最小の年間568トンの損失レベルに基づく科学者の以前の推定は、一般的な過去35億年間で0.8-43 mbarの大気中の二酸化炭素の損失。 つまり、MAVENによって得られたデータ（推定値は3.86倍高い）に推定値を外挿すると、この期間に最小の欠落した500 mbarに対して31-166 mbarのリークが発生します。





火星の年間の気圧の変化。 証言の違いは、バイキング-2が対応するバイキング-1より火星表面の平均レベルの900メートル下に位置していたという事実によるものです。



他にどんな容疑者がいますか？ バイキングの着陸プラットフォームは、火星の土壌にかなりの割合のモンモリロナイト粘土が含まれており、大気からかなりの量の二酸化炭素を吸着できることを発見しました。 したがって、極冠の極から極への4-5 mbarの移動 （新しいデータによれば、 最大85 mbarが存在する可能性があります ）および大気中の6 mbarに加えて、大気からの約300 mbarの二酸化炭素が地面および別の130 mbarはその中で炭酸塩に変わりました。 さまざまな科学者による火星の現在の総二酸化炭素埋蔵量の推定値は、かなり広い範囲内で異なります： ≤200から≥450mbarまで 。 しかし、以前は、 200〜10000 mbarの範囲で変動していました。



この散在の理由は、レッドプラネットの内部構造に関する知識不足でした。 そして今、火星の極冠、およびその全領域にわたって数メートルの深さまでの火星の表面層を非常によく研究しているにもかかわらず、その内部構造についての私たちの知識は望まれることを多く残しており、それが推定のばらつきが依然として大きいままである理由です。 11月26日に火星に着陸したInSight着陸プラットフォームは、この問題の幕を開けるはずです。 InSightに搭載されているのは、高感度地震計と5メートルの折りたたみ式ドリルです（この場合、土壌の化学分析は行いませんが、そのような深さでの土壌の物理的特性の測定は私たちにとって大きな前進です）。







「これらすべてが火星の気候にどのように影響しますか？」-あなたは尋ねるかもしれません。 ここでのポイントは、離心率は、惑星が太陽にどれだけ接近しているか、そしてこの位置での1回転あたりの時間に依存するということです。 したがって、離心率は惑星全体の気候に影響し、軸の傾きは緯度分布に影響します。惑星の傾き軸が54°の値に達すると、惑星の極は赤道と同じ量の太陽光を受け始めます。 そして、勾配がさらに増加すると-それ以上です。 したがって、極の気候は赤道よりも暖かくなり、 「ドライアイス」 （凍結二酸化炭素）で構成される極冠の上部層が融解します。 そして、二酸化炭素は温室効果ガスであるため、その放出は地球全体で温暖化を引き起こします。





2012年の調査によると、極冠地域の年間気温ピークのグラフ。 最高温度は黒で強調表示され、中央は赤と黄色で、最低温度は白です（火星の現在の状態は菱形で示されています）。 青い長方形は、地球の離心率と傾斜角のパラメーターの変化の間隔を示しています。



要因のセット全体について、火星を加熱するための最適なパラメーターは、離心率の平均値（0.06-0.08）および軌道の近日点と分点（0°または360°）の一致ですが、一般にこれらのパラメーターは気候への影響がはるかに小さくなります。 火星の現在の値は、軸の傾きが25.19°、離心率が0.0934、近日点が286.502°です。 火星の軌道の離心率は現在、0.105（24,000年後に到達）のピークに移動し、その後0.002（10万年後に到達）の速度に戻ります。 残念なことに、火星の傾斜は現在、200万年という最小周期に近い穏やかな段階にあり、近い将来、36°を超えることはありません。 したがって、私たちにとって予見可能な未来の火星は、果てしなく続く砂漠であるはずです。





2005年5月15日にスピリットローバーが捉えた砂旋風。 Gifは、9.5分で渦の動きのプロセスを表示します（フレーム間の間隔は約30分です）。



しかし、これは火星の気候が近い将来に変わらないという意味ではありません。 より正確には、現在変化しています：1977年にバイキングから最新情報を受け取ったときから、 1999年に火星グローバル測量機プローブから最初のデータを受け取ったときまで、火星表面の温度は0.86°C上昇しました。 このプロセスは、上記の現象に直接関係していません-科学者は、火星のアルベド （表面の反射率）の変化で説明を見つけました。これは、過去22年間で判明したように、火星表面の3分の1で10％以上上下しました。



科学者の予備的な推定によると、表面温度を最大25°C上げる必要があるため、この変更は火星のテラフォーミングをはるかに単純化することを予見しません-さもなければ、外部の影響が取り除かれた後、火星は元の寒い状態に戻ります 火星自体のアルベドの変化はダストストームに関連している可能性が高く、写真からわかるように、南極冠（火星で地球規模のダストストームが発生する年の間に形成された）は北部のものよりも「汚れ」ます。







現在、これらのデータは2つの時点でのみ作成されており、パターンについて話すのは時期尚早です。 しかし、離心率と勾配の変化のサイクルの研究は、地球温暖化が現在火星で起こっているが、はるかに低い率で起こっていることも示しています。





青い線は、赤道の南5°にあるゲイルクレーターで永久凍土が溶け始める温度です（ キュリオシティから取得）。



私たちが現在移動しているチャート上のこの小さなピークを私たちに与えることができるものは何ですか？ 一般的に言えば、かなり。 火星の平均気温が上昇すると、地球と同様に地球温暖化も発生するはずです。気圧が6.1 mbar、温度が158°Kの場合、火星の土壌には土壌1グラムあたり最大11cm³の二酸化炭素が吸着されますが、 196°Kでは、飽和はすでに1グラムあたり3.5cm³で発生しています。 したがって、土壌を加熱すると、土壌に蓄積された温室効果ガスが放出されます。 ただし、一般に、この平均温度のわずかな上昇から、効果自体は取るに足りないものになります。 さらに、土壌の熱伝導率が制限されているため、その加熱は瞬時には発生しませんが、年間約1メートルの速度で発生するため、これらの狭いピークは火星をかなりの深さまで暖め、大量の二酸化炭素を放出する時間がありません。





火星の大気中の塵の浮遊により、空は地球の反対になります。



地上からのガスの放出に加えて、別のウォーミングアップ効果が可能です。大気圧の大幅な増加により、 科学者によると 、火星の有名な世界的なダストストームは無駄になります。 また、これらの嵐は地球の数か月から6か月間にわたって惑星全体を覆い、光の一部を宇宙に反射するため、惑星の平均気温も上昇するはずです。 しかし、おそらくこれのさらに重要な結果は、別の最近の研究によると、これらの嵐は火星の過塩素酸塩の源であり、高濃度では人間や地球上のほとんどの生物（植物を含む）に有毒であるということかもしれません。 したがって、レッドプラネットの気候温暖化は、その土壌の肥沃度を高めるのに直接役立ちます。 ただし、この効果には、現在の温度上昇サイクルで達成されるよりもかなり多くの温暖化が必要であるため、別の記事で説明する火星のテラフォーミングのコンテキストで説明する可能性が高くなります。







記事の最後に、火星の探検、植民地化、テラフォーミングに関心のあるすべての人を招待して、 FacebookおよびVKontakteで火星社会グループに加入するとともに、「レッドプラネット」の変革プロセスに貢献するために、地域の火星社会のコーディネーターやランクに参加してもらいたいと思います。 「青緑色。 これを行うには、 私またはAlexeiに連絡してください 。