Нужно ли Марсу магнитное поле?
Материал подготовлен Виталием Егоровым, проект «Открытый космос Зелёного кота».
Многие еще с уроков природоведения (и стараниями многочисленных научно-популярных фильмов и публикаций) твердо заучили как истину: магнитное поле Земли защищает нас от солнечной радиации, а атмосферу — от выдувания солнечным ветром. Причем это «выдувание» многими воспринимается буквально — как механический процесс выноса газов атмосферы потоками солнечной плазмы.
Земное магнитное поле в таких картинах рисуют героическим защитником, который встает щитом на пути злых потоков огненного ветра, посылаемого Солнцем.
Однако современные космические исследования дают все больше оснований пересматривать эту картину в сторону усложнения процессов взаимодействия гелиосферы и геосферы. Более честные схемы уже указывают, что магнитосфера не спасает от утечки атмосферы с полюсов, а скорее даже способствует.
Для начала следует разобраться в причинах потери атмосферы планетами. Читать далее
Диссипация (рассеяние) атмосфер в космос имеет термическое и нетермическое происхождение. Термических механизмов два: так называемый «джинс» и гидродинамический. Первый — это нагрев молекул атмосферы солнечным светом. Как известно температура — это интенсивность движения атомов и молекул. Если вокруг нагретой молекулы много соседей, она передает им свою энергию движения и замедляется. Если же поблизости молекул и атомов не окажется, а приток энергии не прекратится, то в какой-то момент молекула нагреется до такого состояния, что она, как настоящий космический корабль, покинет пределы атмосферы набрав вторую космическую скорость. Примерно это и происходит в верхних слоях атмосферы — «термосфере». И чем ближе к Солнцу планета, тем сильнее воздействие этого фактора. Но тут многое зависит от массы планеты. Например водород и гелий с легкостью покидают пределы атмосферы Венеры, а вот более массивные молекулы СО2 удерживаются достаточно сильной гравитацией планеты. На Земле, кстати, то же самое происходит, только с меньшей интенсивностью, но 250 тонн водорода и 4 тонны гелия навсегда прощаются с нами каждые сутки.
Сходный с термическим процесс — фотохимический, когда под воздействием ультрафиолетовых лучей молекулы распадаются на отдельные атомы, например вода разделяется на водород и кислород, что способствует улетучиванию водорода.
Марс находится дальше от Солнца, поэтому атмосфера получает меньше света, но и масса планеты ниже, поэтому он ежесуточно теряет по разным данным от 1 до 100 тонн атмосферы — в основном углекислого газа.
Но мы же помним, что у Марса нет магнитного поля! Доберемся и до него, а пока рассмотрим еще один тепловой способ потери атмосферы — гидростатический.
Если нагрев атмосферы планеты достаточно интенсивный, и если есть какие-нибудь дополнительные источники тепла внизу, то более тяжелые молекулы газа могут увлекаться потоками легких частиц, нагреваться и набирать ту же вторую космическую, чтобы уже никогда не вернуться на планету. Вероятно, именно по этой причине вулканически активный и массивный спутник Юпитера Ио не имеет сколь-нибудь существенной атмосферы — ее постоянно выдувает мощными извержениями вулканов.
Есть еще один путь избавиться от атмосферы, который отчасти схож с предыдущим гидростатическим, — импактный. Мы все знаем, как выглядят мощные взрывы — столб дыма вздымается в небеса, превращаясь в гриб. Если взрыв будет достаточной силы, то этот столб поднимется до космоса, где в разреженной атмосфере разогретые молекулы смогут разогнаться достаточно, чтобы улететь навсегда. Для планет с относительно сильным гравитационным полем и плотной атмосферой вроде Земли и Венеры этот фактор может быть незначительным, а вот для Марса потери могут быть куда существеннее, да и досталось ему, кажется, больше чем Земле — астероидный пояс-то рядом. Этот фактор играет против тех, кто предлагает обрушить на Марс астероид или комету побольше — надо еще посчитать, останется ли что-нибудь после взрыва.
Насколько существенную роль в потере атмосферы Марса сыграл импактный механизм, пока сказать сложно. Можно провести лишь приблизительные расчеты, но даже грубые прикидки мне не встречались. Однако не стоит забывать, что Марс сильнее всего пострадал, так же как и Луна и Земля, в период Поздней тяжелой бомбардировки, примерно 3,8 млрд лет назад. Но в те годы на Марсе была еще плотная атмосфера.
Важный момент: на все вышеперечисленные факторы магнитное поле не влияет никаким образом. Поэтому Земле, через пару миллиардов лет грозит судьба Марса и Венеры — полное улетучивание водорода, превращение в пустыню. Тут могла бы быть реклама SPA-салона или приморского курорта: наслаждайтесь жидкой водой, пока есть такая возможность.
Может атмосфера истончаться и не покидая планету. Такое проиcходит, когда атмосферные газы вступают в химическое или физическое взаимодействие с поверхностью. Углерод и кислород может эффективно связываться, вступая в реакции с горными породами. Считается, что если выпустить весь углерод Земли, который сейчас связан в залежах углеводородов и карбонатных пород, то наша атмосфера не будет сильно отличаться от венерианской. Поэтому надо сказать «спасибо» миллионам лет эволюции микроорганизмов, которые превратили нашу Землю в цветущий сад. Водород и кислород могут эффективно выводиться из атмосферы путем превращения в воду и формирования океанов или ледников, и чем дальше от Солнца, тем больше всяких газов могут превращаться в лед.
Теперь вернемся к солнечному ветру и магнитному полю. Солнечный ветер — это поток заряженных частиц (электронов, протонов и альфа-частиц). Частицы имеют разную скорость и про медленные (скоростью 300−500 км/с) частицы говорят «медленный солнечный ветер», про быстрые (600−800 км/с) — «быстрый солнечный ветер», а про высокоскоростные (900 км/с и выше) — «солнечная радиация». Солнце излучает и массу других «радиаций»: ультрафиолетовую, рентгеновскую, нейтронную, вплоть до гамма, но мы сейчас поговорим про ту, которая имеет электрический заряд и на которую оказывает воздействие магнитное поле.
Итак, солнечные частицы несутся от Солнца в сторону Земли. На расстоянии примерно 10 радиусов Земли на них начинает оказывать воздействие наше магнитное поле — и отклонять их. Чем меньше энергия частиц, тем эффективнее они отклоняются магнитным полем. На месте этой встречи формируется ударная волна. В результате какие-то частицы проскакивают через магнитные линии, но отклонившись пролетают мимо Земли, какие-то поглощаются атмосферой, но подавляющее большинство выстраиваются вдоль магнитных линий и вливаются в имеющиеся торовые потоки заряженных частиц вокруг Земли, которые называются «радиационные пояса». Ура, планета спасена, магнитное поле сделало свое героическое дело… Но, что это? Почему красным и зеленым светом загорелись наши полюса?