Магнитное поле Марса

Магнитное поле Марса

Магнитное поле что это такое? Это невидимая физическая сила, исходящая из ядра планеты и создающая область вокруг планеты, которое действует на движущиеся электрические заряды в сторону планеты и отклоняет их от своей первоначальной траектории. Таким образом все электрические заряды, посланные с Солнца или с другого космического тела, попадая в магнитное поле планеты, отклоняются от своей траектории. Магнитное поле защищает планету от смертельных Солнечных излучений и ветра. Но у Марса оно очень необычно. Так что же с ним случилось?

Структура и состав Земли и Марса

Представители планет земного типа (Венера, Земля и Марс) похожи по структуре. Это металлическое ядро с мантией и корой, но плотность Земли выше, чем Марса. То есть красная планета состоит из более легких элементов. У Земли есть каменное ядро, покрытое сверху жидким, а также силикатная мантия и твердая поверхностная кора. Что касается Марса, ученые еще не до конца уверены в отношении строения его ядра. Известно, что марсианское ядро состоит из железа и никеля, на 16-17 % — из серы. Мантия Марса составляет всего 1300-1800 км (для сравнения: толщина земной мантии — 2890 км), а кора охватывает 50-125 км (у Земли — 40 км). Мантия и кора Земли и Марса практически одинаковы по структуре, но отличаются по толщине.

Поверхностные особенности

Вам будет интересно: Обучение в Вятском колледже культуры в Кирове. Информация о поступлении

Около 70 % поверхности Земли покрыто водами Мирового океана. По одной из версий, жидкая вода была в составе газопылевого облака, из которого образовалась Земля. По другой, она появилась в результате интенсивной астероидной и кометной бомбардировки, которой подверглась молодая планета. Некоторые ученые придерживаются мнения, что вода высвободилась из гидратированных минералов в процессе формирования Земли. Есть и другие гипотезы, и, возможно, что все они в той или иной степени верны.

На Марсе тоже когда-то была вода в жидком виде, что является необходимым условием развития жизни. Но сейчас это холодная и пустынная планета, на которой много оксида железа, который придает поверхности Марса красный оттенок. Вода имеется в виде льда на полюсах. Небольшое ее количество аккумулируется под поверхностью.

Марс и Земля сходны по ландшафту. На планетах встречаются горы и вулканы, каньоны и равнины, ущелья, хребты, плато. Наибольшая гора на Марсе называется Олимпом, а самая глубокая пропасть — это Долина Маринер. Обе планеты в процессе формирования подвергались метеоритным и астероидным атакам, но на Марсе следы сохранились куда лучше из-за отсутствия осадков и давления воздуха. Возраст отдельных насчитывает миллиарды лет. На Земле такие формирования постепенно разрушились.

Искусственный магнитный щит Марса: технические характеристики

Марсианская точка Лагранжа расположена на расстоянии около 1 миллиона километров от Марса. С поправкой на компенсацию сильных солнечных вспышек можно предположить, что будет достаточно расширить искусственное магнитное поле на расстояние 1,5 млн километров от планеты.

Также следует учитывать, что интенсивность солнечного ветра на марсианской орбите значительно ниже, чем на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (т.е. на расстоянии от Солнца до Земли). Таким образом, для защиты Марса от солнечного ветра достаточно получить магнитное поле примерно вдвое слабее, чем понадобилось бы для защиты Земли. Учитывая оба этих фактора, понадобится сгенерировать вокруг Марса магнитное поле всего в 11% от силы естественного магнитного поля Земли, и минимальный радиус магнитослоя вокруг Марса составил бы всего 500 000 километров.

Согласно уравнению величины магнитного поля, можно высчитать силу тока «провода», необходимого для генерации такого магнитного поля. Получается ток силой около 200 мега-ампер.

Соответственно, это будет провод колоссального размера. Чтобы сделать его как можно компактнее, необходимо как можно сильнее уменьшить рабочее напряжение этого провода и, следовательно, его сопротивление. Чтобы добиться минимального сопротивления, нужно подобрать минимальную длину провода, при этом обеспечив для него максимальную площадь поперечного сечения. Отметим, что сопротивление проводника можно было бы снизить, изготовив его из сверхпроводящего материала, но технически наиболее доступной конфигурацией представляется плоская медная катушка, намотанная настолько плотно, что отверстие в ее центре будет как можно уже. При этом отверстие в центре катушки необходимо оставить, так как при его отсутствии в катушке возникнут контрпродуктивные обратные токи, и ее сопротивление будет чрезмерно сильным.

Остается вопрос о том, какой источник энергии позволил бы запитать подобную конструкцию на орбите Марса. Для этого определенно не подойдут солнечные панели, так как солнечное излучение на орбите Марса довольно слабое, и даже сконструировав солнечные панели площадью 4000 м2 и обладающие КПД 20%, нам потребовалось бы для производства проводника больше меди, чем в принципе имеется на Земле. Более эффективным энергетическим решением был бы 830-мегаваттный ядерный реактор, работающий на орбите Марса и запитывающий магнитный контур. В таком случае напряжение в системе составило бы всего 2 вольт, а размеры медной катушки – 3,5 метров в диаметре при весе около 57 тонн. По расчетам автора, такая катушка позволила бы генерировать магнитное поле около 81 тесла. При этом необходимо было бы решить дополнительные технические проблемы, связанные с отводом избыточной теплоты от контура во избежание его деформации, а также обеспечить доставку 40 тонн урана в марсианскую точку Лагранжа каждые два года (следует оговориться, что мы пока не можем оценить запасы урана на Марсе, поэтому последняя проблема может решаться проще, чем кажется на первый взгляд).

Дальнейшие выкладки из упомянутой статьи выходят за рамки данной публикации, но ее все-таки будет интересно прочесть целиком – в частности, чтобы познакомиться с ориентировочными характеристиками космического корабля, необходимого для реализации всего проекта.

Итак, генерация искусственного магнитного поля для Марса представляется несравнимо более осуществимой задачей, чем восстановление естественного. Кроме того, это был бы значительно более щадящий и эффективный (в долгосрочной перспективе) метод терраформирования, чем термоядерная бомбардировка или развертывание орбитальных зеркал, предложенные Илоном Маском. Остается с интересом следить, возможна ли при в обозримом будущем практическая реализация подобных планов.

Земля и Вселенная. Часть 23. Загадка магнитного поля Марса

The «Mars Global Surveyor» spacecraft measures the direction and strength of the magnetic field as it passes over the Mars crust. In this projection, taken from just one of the earlier orbits, one sees the field direction flipping in direction as the spacecraft passes over the stripes in the southern hemisphere. The Earth’s has a global magnetic field that nearly aligned with its rotation axis that allows people to navigate by compass which always point north. In contrast on Mars the direction of the magnetic field changes dramatically from place to place . http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2005/mgs_plates.htm l

The global map below is built up from many thousands of orbits at constant altitude (mapping orbit), and uses colors to represent the strength and direction of the field caused by crustal magnetization. Credit: NASA http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ec/Mars_Crustal_Magnetism_MGS.png

2 комментария:

Марс приобрёл и потерял магнитное поле из-за астероида

“Свежий взгляд на загадку исчезнувшего магнитного поля Марса предложил Джафар Аркани-Хамед (Jafar Arkani-Hamed) из университета Торонто (University of Toronto). По его мнению, причина — в большом астероиде, летавшем вокруг Марса некоторое время, но потом врезавшегося в поверхность молодой планеты.

Магнитное поле, сравнимое по силе с земным, существовало на Марсе 4 миллиарда лет назад. Однако оно присутствовало сравнительно недолго, а потом довольно резко «выключилось».

Основная версия, объясняющая это исчезновение, — охлаждение ядра, в котором ослабли конвективные потоки и, соответственно, остановилась гигантская «динамо-машина». Неясными тут остаётся немало моментов, так что споры продолжаются.

Аркани-Хамед, выполнивший новое моделирование совместно со своими коллегами из канадских университетов Летбриджа (University of Lethbridge) и Йорка (York University), полагает, что для решения загадки пропавшего поля нужно сначала объяснить его появление.

Учёные из Канады говорят, что движущей силой для потоков внутри жидкого ядра, создававших магнитное поле, была вовсе не конвекция, а приливное воздействие огромного астероида, захваченного Марсом в пору его юности.

Расчёты Джафара показывают, что при «содействии» Солнца и Юпитера большой астероид мог выйти на стабильную орбиту вокруг Марса на расстоянии 100 тысяч километров. Далее он постепенно приближался к поверхности планеты. На расстоянии 50-75 тысяч километров он мог уже вызывать нестабильность в ядре Марса, достаточно сильную, чтобы возникшие потоки начали генерировать магнитное поле. На запуск этой «машины» у астероида ушло бы всего 5-15 тысяч лет.

Затем астероид продолжал снижение, обеспечивая функционирование «динамо-машины» внутри Марса на протяжении нескольких миллионов лет, если небесное тело обращалось в ту же сторону, что и направление вращения самого Марса, или даже все 400 миллионов лет, если астероид обращался по обратной орбите.

Далее небесная гора вошла в предел Роша, разрушилась, и, в конце концов, её части упали на Марс, породив всем известные крупные ударные бассейны.

Тут собственно магнитное поле Марса и исчезло (если точно – ослабло в сотни раз) — его ведь нечему было поддерживать — приливное воздействие столь недолговечной луны исчезло, а обычной конвекции в ядре для генерации сильного поля и раньше не хватало.

Потеря магнитного поля могла сыграть важную роль в переходе климата Марса от сравнительно тёплого и влажного к сухому и холодному, каким мы его знаем сегодня.

Правда, некоторые специалисты находят изъяны в версии канадцев. В частности, вопросы всё же вызывают и механизм захвата весьма крупного тела Марсом, а также — достаточно ли окажется приливных сил для должного «раскачивания» ядра.

Детали исследования можно найти в статье “Tidal excitation of elliptical instability in the Martian core: Possible mechanism for generating the core dynamo” http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2007JE002982/abstract “. (25 июля 2008). http://www.membrana.ru/particle/12821

Жизнь на Марсе погубили астероиды

“Геофизик Джафар Аркани-Хамед (Jafar Arkani-Hamed) предложил свою версию катастрофы, которая случилась с Марсом и фактически убила его как планету, на которой хотя бы в принципе возможно зарождение жизни наподобие нашей.

Аркани-Хамед обратил внимание на то, что примерно 4 млрд лет назад магнитное поле, характерное для всех каменных планет, включая даже Луну, на Марсе представлено очень слабо, в виде следов. Известно, что когда-то в самом начале у Красной планеты тоже было нормальное магнитное поле, но 4-4,5 млрд лет тому назад оно вдруг исчезло. Ученый сопоставил это событие со снимками 20 больших кратеров, оставленных крупными астероидами в период 4,2-3,9 млрд лет тому назад. Ученый считает, что именно эти астероиды лишили Марс магнитного поля.

До сих пор в ходу была другая версия пропажи магнитного поля. Считалось, что это произошло 4,5 млрд лет назад, когда гигантский астероид диаметром 1600-2700 км упал на северное полушарие планеты и создал там плоскую равнину Бореалис, занимающую 40% всей поверхности Марса.

Магнитное поле планет создается конвекцией расплавленных масс в их ядре, благодаря содержащемуся там железу, которое, то утопая в ядре, то всплывая, генерирует электрический ток, что, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля – астрофизики называют это “динамо”. Серьезное сотрясение планеты может это динамо остановить. Однако Аркани-Хамед показал, что даже такой суперудар, как Бореалисов, не мог навсегда остановить конвекцию в ядре – по расчетам ученого, спустя 100 млн лет после этого конвекция должна полностью восстановиться, динамо бы заработало, магнитное поле снова бы продолжило защищать планету от убийственной солнечной радиации. Конвекцию можно остановить навсегда только одним способом, считает он, – тепловой изоляцией ядра, то есть нагревом мантии.

Именно это, по его мнению, и произошло во время массированной астероидной атаки 4 млрд лет назад, когда большие астероиды один за другим стали падать на разные участки планеты. Каждый из них особой опасности собой не представлял, но вносил свой вклад в нагрев мантии. По расчетам Аркани-Хамеда с коллегами, пяти крупнейших астероидов из этой серии вполне хватило бы, чтобы навсегда остановить марсианское динамо.

Земля и Вселенная. Часть 23. Загадка магнитного поля Марса

The «Mars Global Surveyor» spacecraft measures the direction and strength of the magnetic field as it passes over the Mars crust. In this projection, taken from just one of the earlier orbits, one sees the field direction flipping in direction as the spacecraft passes over the stripes in the southern hemisphere. The Earth’s has a global magnetic field that nearly aligned with its rotation axis that allows people to navigate by compass which always point north. In contrast on Mars the direction of the magnetic field changes dramatically from place to place . http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2005/mgs_plates.htm l

The global map below is built up from many thousands of orbits at constant altitude (mapping orbit), and uses colors to represent the strength and direction of the field caused by crustal magnetization. Credit: NASA http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ec/Mars_Crustal_Magnetism_MGS.png

2 комментария:

Марс приобрёл и потерял магнитное поле из-за астероида

“Свежий взгляд на загадку исчезнувшего магнитного поля Марса предложил Джафар Аркани-Хамед (Jafar Arkani-Hamed) из университета Торонто (University of Toronto). По его мнению, причина — в большом астероиде, летавшем вокруг Марса некоторое время, но потом врезавшегося в поверхность молодой планеты.

Магнитное поле, сравнимое по силе с земным, существовало на Марсе 4 миллиарда лет назад. Однако оно присутствовало сравнительно недолго, а потом довольно резко «выключилось».

Основная версия, объясняющая это исчезновение, — охлаждение ядра, в котором ослабли конвективные потоки и, соответственно, остановилась гигантская «динамо-машина». Неясными тут остаётся немало моментов, так что споры продолжаются.

Аркани-Хамед, выполнивший новое моделирование совместно со своими коллегами из канадских университетов Летбриджа (University of Lethbridge) и Йорка (York University), полагает, что для решения загадки пропавшего поля нужно сначала объяснить его появление.

Учёные из Канады говорят, что движущей силой для потоков внутри жидкого ядра, создававших магнитное поле, была вовсе не конвекция, а приливное воздействие огромного астероида, захваченного Марсом в пору его юности.

Расчёты Джафара показывают, что при «содействии» Солнца и Юпитера большой астероид мог выйти на стабильную орбиту вокруг Марса на расстоянии 100 тысяч километров. Далее он постепенно приближался к поверхности планеты. На расстоянии 50-75 тысяч километров он мог уже вызывать нестабильность в ядре Марса, достаточно сильную, чтобы возникшие потоки начали генерировать магнитное поле. На запуск этой «машины» у астероида ушло бы всего 5-15 тысяч лет.

Затем астероид продолжал снижение, обеспечивая функционирование «динамо-машины» внутри Марса на протяжении нескольких миллионов лет, если небесное тело обращалось в ту же сторону, что и направление вращения самого Марса, или даже все 400 миллионов лет, если астероид обращался по обратной орбите.

Далее небесная гора вошла в предел Роша, разрушилась, и, в конце концов, её части упали на Марс, породив всем известные крупные ударные бассейны.

Тут собственно магнитное поле Марса и исчезло (если точно – ослабло в сотни раз) — его ведь нечему было поддерживать — приливное воздействие столь недолговечной луны исчезло, а обычной конвекции в ядре для генерации сильного поля и раньше не хватало.

Потеря магнитного поля могла сыграть важную роль в переходе климата Марса от сравнительно тёплого и влажного к сухому и холодному, каким мы его знаем сегодня.

Правда, некоторые специалисты находят изъяны в версии канадцев. В частности, вопросы всё же вызывают и механизм захвата весьма крупного тела Марсом, а также — достаточно ли окажется приливных сил для должного «раскачивания» ядра.

Детали исследования можно найти в статье “Tidal excitation of elliptical instability in the Martian core: Possible mechanism for generating the core dynamo” http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2007JE002982/abstract “. (25 июля 2008). http://www.membrana.ru/particle/12821

Жизнь на Марсе погубили астероиды

“Геофизик Джафар Аркани-Хамед (Jafar Arkani-Hamed) предложил свою версию катастрофы, которая случилась с Марсом и фактически убила его как планету, на которой хотя бы в принципе возможно зарождение жизни наподобие нашей.

Аркани-Хамед обратил внимание на то, что примерно 4 млрд лет назад магнитное поле, характерное для всех каменных планет, включая даже Луну, на Марсе представлено очень слабо, в виде следов. Известно, что когда-то в самом начале у Красной планеты тоже было нормальное магнитное поле, но 4-4,5 млрд лет тому назад оно вдруг исчезло. Ученый сопоставил это событие со снимками 20 больших кратеров, оставленных крупными астероидами в период 4,2-3,9 млрд лет тому назад. Ученый считает, что именно эти астероиды лишили Марс магнитного поля.

До сих пор в ходу была другая версия пропажи магнитного поля. Считалось, что это произошло 4,5 млрд лет назад, когда гигантский астероид диаметром 1600-2700 км упал на северное полушарие планеты и создал там плоскую равнину Бореалис, занимающую 40% всей поверхности Марса.

Магнитное поле планет создается конвекцией расплавленных масс в их ядре, благодаря содержащемуся там железу, которое, то утопая в ядре, то всплывая, генерирует электрический ток, что, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля – астрофизики называют это “динамо”. Серьезное сотрясение планеты может это динамо остановить. Однако Аркани-Хамед показал, что даже такой суперудар, как Бореалисов, не мог навсегда остановить конвекцию в ядре – по расчетам ученого, спустя 100 млн лет после этого конвекция должна полностью восстановиться, динамо бы заработало, магнитное поле снова бы продолжило защищать планету от убийственной солнечной радиации. Конвекцию можно остановить навсегда только одним способом, считает он, – тепловой изоляцией ядра, то есть нагревом мантии.

Именно это, по его мнению, и произошло во время массированной астероидной атаки 4 млрд лет назад, когда большие астероиды один за другим стали падать на разные участки планеты. Каждый из них особой опасности собой не представлял, но вносил свой вклад в нагрев мантии. По расчетам Аркани-Хамеда с коллегами, пяти крупнейших астероидов из этой серии вполне хватило бы, чтобы навсегда остановить марсианское динамо.