Прогнозирование природных явлений издревле считается одним из полезнейших видов деятельности. От геофизических процессов зависит очень многое, начиная с сельского хозяйства, заканчивая пусками ракет-носителей. На Земле мы привыкли относиться к прогнозам синоптиков с некоторой иронией. Даже с достигнутым на сегодняшний день уровнем технологий эти прогнозы не всегда блещут точностью, особенно в регионах с многофакторным сложным климатом. Да и серьезные катаклизмы, которые, казалось бы, должно быть видно издалека, порой появляются внезапно, буквально снося все на своем пути. А что мы можем сказать о прогнозе на другой планете? Оказывается, можем, причем речь идет не о прогнозе на неделю, а о глобальной долговременной модели.

Следующие несколько месяцев почти вся поверхность Марса будет скрыта под слоем пыли. К такому выводу пришли специалисты лаборатории реактивного движения NASA, во главе с планетологом Джеймсом Ширли (James H. Shirley), проведя исследования разработанной ими статистической модели, основанной на данных обо всех зафиксированных ранее марсианских глобальных пылевых бурях. По прогнозу Ширли, середина сезона бурь в 2016 году приходится на 29 октября.

О чудовищных марсианских бурях многие из нас знают из книг и фильмов. Это одно из самых известных и необъяснимых явлений Красной планеты. Исследования причин возникновения марсианских глобальных пылевых бурь ведутся достаточно давно, в том числе и из-за угрозы, которую несут эти природные явления для оборудования, а в будущем и для экипажей пилотируемых научно-исследовательских программ.

Так, во время последней глобальной бури в 2007 году функционирование марсоходов Spirit и Opportunity было приостановлено, в связи со значительным снижением освещенности солнечных батарей системы электроснабжения из-за плотных масс песка и пыли в атмосфере. Во время бури марсоходы удавалось включить на несколько минут в день, в остальное время они оставались без какого-либо управления и связи с Землей.

Конечно, такие неполадки выглядят не столь эффектно, как борьба с жестокой марсианской бурей на киноэкранах, однако и они могут иметь трагические последствия в случае отключения электрического тока в жилых отсеках, хранилищах и парниках, не говоря уже о прекращении работы любой техники, не имеющей независимого источника энергии, и стремительной деградации характеристик фотоэлектрических преобразователей в результате длительного воздействия частиц марсианской пыли, движущихся в порывах со скоростью до 45 м/с.

1

Рис.1 Фотографии Марса, сделанные камерой аппарата Mars Global Surveyor в 2001 году с разницей в месяц. Заметно, что начавшаяся в южном полушарии локальная буря перерастает в глобальную, покрывая всю поверхность планеты практически непрозрачным пылевым слоем.

Пылевой туман, покрывающий всю поверхность планеты, является относительно редким результатом слияния региональных бурь, являющихся, в свою очередь последствиями роста и объединения нескольких локальных штормов, весьма часто возникающих на поверхности планеты, особенно в весенний и летний периоды южного полушария в перигелии. При этом поверхность планеты наблюдается как сквозь матовую пленку, подробности рельефа и поверхности планеты становятся почти неразличимыми. В некоторых случаях такой пылевой туман может стать глобальной пылевой бурей, примерно такой, какую прогнозирует команда Джеймса Ширли в этом году, или как та, что в 1971 году встретила  первый аппарат NASA, запущенный к поверхности Марса, Mariner 9.

Очевидно, что задача по разработке прогнозируемой модели поведения марсианской атмосферы выглядит вполне актуальной. И, как результат многолетних исследований, сегодня мы, наконец-то можем сказать, что человек располагает прогнозом погоды на Марсе. Осталась одна небольшая деталь, а именно – оценка соответствия поведения атмосферы Марса в течение нынешнего сезона бурь полученным результатам моделирования. В случае успешного прогноза будущим членам марсианских пилотируемых программ не грозят неожиданные трудности от природных катаклизмов.

Джеймс Ширли опубликовал свои результаты моделирования пылевых бурь, спустя несколько лет исследований, еще в 2015 году. В основу его модели легли собранные за все годы наблюдения за планетой известные данные о помутнении ее поверхности, пылевых туманах и штормах. Начиная с первых имеющихся данных 1924 года, Марс «оборачивался» пылью девять раз, а по самым свежим наблюдениям – в 1977, 1982, 1994, 2001 и 2007 годах. Учитывая то, что наблюдения Марса с Земли без спутников в некоторые годы было неудобным и недостоверным, в модель были введены допущения о несколько большем числе бурь в течение рассматриваемого периода. Несколько исследователей описали и проанализировали пылевые бури в период с 1873 по 1990 годы. Диапазон значений ареоцентрической широты Марса в периоды глобальных бурь составил LS = (160˚…330˚), центр этого диапазона приходится ровно на перигелий. Результаты расчетов периодичности возникновения бурь с учетом орбитального движения планет Солнечной системы показали, что гравитационное взаимодействие Марса с соседними планетами создает орбитальный угловой момент LMars, влияющий на его вращение вокруг общего гравитационного центра, и вызывающий возмущения в атмосферных потоках.

2 Рис.2 Схожесть изменения орбитального углового момента Марса в текущем году (синяя линия) с картиной в прошедшие годы, в которые наблюдалась глобальная пылевая буря (оранжевые полосы), по сравнению с годами, в которые глобальные бури отсутствовали (голубые полосы). Сезон пылевых бурь соответствует ареоцентрической широте Марса в диапазоне 160˚…330˚ и значению плотности поглощенной в атмосфере мощности солнечного излучения ≥600 Вт/м2.

Периодичность возникновения этого момента – около 2.2 земных лет, что несколько дольше периода орбитального обращения Марса, равного 1,9 лет. Отношение периодов этих циклических процессов постоянно смещается. В результате исследования этого смещения со статистической погрешностью около 1% было установлено, что наиболее вероятное время начала глобальной бури приходится на период увеличения орбитального углового момента от суммарного гравитационного влияния планет, в первой половине сезона бурь. При этом данные о наблюдении признаков глобальной пылевой бури в периоды снижения орбитального углового момента в истории наблюдений планеты отсутствуют.  Рассмотрено и течение нынешнего сезона бурь, которое весьма схоже с картиной всех прошедших сезонов в годы возникновения глобальной пылевой бури (рис.2).

Фазирование LMars с плотностью мощности (интенсивностью) поглощенного солнечного излучения Is постоянно, и представляет собой волнообразную кривую (рис.3). Глобальная буря была в 28 МГ, соответственно, в последующие МГ, до 32, глобальной бури не наблюдалось. Найденные закономерности с погрешностью в пределах статистической соответствуют расчетам по данным за все годы наблюдения за поверхностью Марса.

3

Рис.3 Фазирование ареоцентрической широты Марса с интенсивностью солнечного излучения. Максимумы Is соответствуют перигелию при LS~250. Нулевая отметка шкалы ординат соответствует усредненному значению Is = 590 Вт/м2 за 10 солов перед началом сезона бурь.

Анализируя данные о величине углового орбитального момента и интенсивности поглощенного солнечного излучения, мы сможем построить долгосрочный прогноз возникновения глобальных пылевых бурь, чем обеспечим безопасную работу на поверхности планеты, как для роботов, так и для людей.

Наблюдения за поверхностью Марса в следующие несколько месяцев позволят подтвердить или опровергнуть представленную теорию. А пока, по данным наблюдений аппарата Mars Reconnaissance Orbiter, серия локальных штормов, появившихся в конце августа, сформировала крупный региональный фронт в сентябре, который, однако, рассеялся к началу октября, так  и не создав глобальную бурю. Остается лишь ждать и внимательно наблюдать за атмосферой Марса. На кону – разгадка одной из главных тайн Красной планеты.

По материалам

James H. Shirley

Jon Austin