Меркурий, Венера и парниковый эффект
Мы не можем ясно видеть Меркурий с помощью наземных телескопов, отчасти потому, что он такой маленький и так далеко, а отчасти потому, что он всегда находится близко к Солнцу. Мы впервые хорошо увидели планету в 1975 году, когда мимо пролетел Маринер-10.
Изображение предоставлено NASA/JPL.
В: Каково ваше первое впечатление о Меркьюри?
Кратеры. Кратеры. Кратеры.
В период с 2008 по 2015 год космический корабль Messenger много раз облетел планету и собрал множество данных.
Изображение Меркурия предоставлено НАСА/Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса/Карнеги.
Изображение предоставлено NASA/JPL.
Меркурий — активная планета? Что ж, ученые определили несколько вероятных вулканов, таких как показанный ниже; но их не очень много. Кажется, Меркурий имеет гораздо меньшую тектоническую активность, чем Земля.
Изображение предоставлено НАСА/Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса/Университетом штата Аризона/Институтом Карнеги в Вашингтоне и Хедом и др., Science 321, 69 (2008)
Поскольку Меркурий находится так близко к Солнцу, температура Меркурия может достигать очень высоких значений:
Днем около 690 кельвинов (около 420 градусов по Цельсию) Ночью около 100 кельвинов (около -170 градусов по Цельсию) В: Почему так резко меняется температура?
- нет атмосферы для передачи тепла от одного региона планеты к другому
- планета вращается медленно, поэтому каждая ночь длится около 28 земных суток. У энергии достаточно времени, чтобы излучаться от поверхности!
Скажи "привет" Венере
Хотя Венера — самая яркая из планет на небе, она была одной из самых сложных для детального изучения. Проблема в том, что он покрыт облаками. Густые, густые, густые облака.
Пионерское изображение Венеры Венеры в ультрафиолетовом свете предоставлено НАСА и NSSDCA.
Облака настолько густые, что мы не можем обнаружить никаких особенностей на твердой поверхности планеты. В течение многих лет наши космические зонды застревали в измерении свойств венерической (венерианской? венерианской?) атмосферы, которая, как оказалось, сильно отличалась от земной.
Ответ может зависеть от когда вы задаете вопрос. Основной составляющей атмосферы Венеры является углекислый газ.
Вопрос: Что является основным компонентом атмосферы Земли? Вопрос: Содержит ли атмосфера Земли углекислый газ?
земная атмосфера это В данный момент преобладают азот и кислород; углекислый газ составляет менее одного процента от общего количества.
Но если бы кто-то посетил Землю давным-давно, вскоре после ее образования, он бы нашел . много углекислого газа.
Что изменилось? Ну, на Венере не очень. Но на Земле подавляющее большинство углекислого газа было поглощено океанами, покрывающими большую часть планеты. Оказавшись в воде, CO2 может легко реагировать с минералами на морском дне и связываться с твердой породой; и поскольку участки морского дна были погружены в недра Земли из-за тектонического движения, углекислый газ был погребен глубоко под землей.
Изображение предоставлено Геологической службой США.
В: Итак, почему у Венеры все еще может быть толстый CO?2 атмосфера?
Верно. Это может быть связано с отсутствием океанов и отсутствием крупномасштабной активности тектонических плит.
Эта очень плотная атмосфера из углекислого газа имеет серьезные последствия для планеты.
В: Большая полуось орбиты Венеры составляет 0,72 а.е., что значительно меньше, чем у Земли. Какой, по нашему мнению, должна быть температура его поверхности? (Вы помните эту формулу, верно?) Отлично.
В: Итак, мы ожидаем, что температура Венеры будет .
. примерно 326 Кельвинов, или около 53 градусов Цельсия. Конечно, жарко, но не настолько, чтобы вскипятить воду или зажечь бумагу. Ведь обычный человек мог прожить несколько часов в комнате при такой температуре.
Но радионаблюдения Венеры еще в 1960-х годах — некоторые из них проводились как кандидаты наук. исследование какого-то парня по имени Карл Саган показало, что температура поверхности Венеры была выше; намного выше.
В период с 1967 по 1982 год на Венеру приземлилась серия советских космических аппаратов. Условия на поверхности были . сложно, поэтому они могли записывать данные и отправлять их на Землю только в течение коротких периодов времени. Но они предоставили некоторые виды поверхности.
Мозаика с Венеры 13 предоставлена Доном П. Митчелл.
Мозаика с Венеры 14 предоставлена Доном П. Митчелл.
Эти зонды измеряли непосредственно температуру поверхности, которая была около 465 по Цельсию = 738 по Кельвину.
Правообладатель иллюстрации KC Green
Парниковый эффект
В чем дело? Почему Венера намного горячее, чем мы ожидаем?
- видимый свет проходит через CO2
- инфракрасный свет поглощается CO2 и не могу убежать
В результате повышается температура поверхности и нижних слоев атмосферы; температура будет продолжать расти до тех пор, пока более теплая земля и атмосфера не будут производить столько инфракрасного излучения, что небольшое количество, просачивающееся в космос, уравновешивает поступающую энергию видимого света.
График предоставлен Томом Дженкинсом из Института SETI и радионаучной группой Mars Global Surveyor.
В: Будет ли CO2 сбежать с Венеры при такой температуре?
Фу. Нет, этот углекислый газ застрял в атмосфере Венеры. —>
Кстати, атмосфера Земли тоже делает Землю теплее, чем ожидалось? Простой ответ — да". Если мы воспримем ситуацию очень, очень упрощенно (предполагая, например, что Земля — идеально черное тело, вращающееся мгновенно), то «ожидаемая» температура явно равна 279 К.
«Фактическая» средняя температура Земли — ну, что это вообще значит? Типичная температура на экваторе намного выше, чем на полюсах, и как мы можем «усреднить» их вместе? Это сложный вопрос, но некоторые эксперты в этой области подсчитали, что в период с 1951 по 1980 год общая средняя температура Земли составляла около 14 градусов по Цельсию.
В: Какова средняя температура 14 градусов по Цельсию, переведенная в шкалу Кельвина? В: Есть ли на Земле доказательства парникового эффекта?
Да, действительно, Земля теплее, чем можно было бы ожидать от безвоздушной планеты на ее орбите. Если выполнить более сложный расчет «ожидаемой» температуры, который включает такие факторы, как альбедо и тепловые эмиссионные свойства поверхности, а также вращение планеты, то окажется, что «ожидаемая» температура несколько ниже 279 Кельвинов. ; и, таким образом, размер парникового эффекта несколько больше, чтобы довести фактическую температуру примерно до 287 Кельвинов.
В то время как определение «средней» температуры по всей планете является сложным проектом, измерение средней температуры в одном месте не так уж сложно. За последние 100 лет имеются очень веские доказательства того, что температура поверхности Земли и нижних слоев атмосферы повышалась, и в последнее время этот рост ускорился.
График предоставлен NASA/GISS.
Измерения из ряда источников показывают, что в недавнем прошлом быстро увеличивалась еще одна вещь: концентрация углекислого газа в атмосфере Земли.
Данные предоставлены НОАА
- в атмосфере его довольно много (особенно на Венере, конечно)
- некоторые длины волн, которые он поглощает, ТОЧНО соответствуют длинам волн, на которых излучают планеты (особенно Земля).
На рисунке ниже показана модель спектра инфракрасного излучения, испускаемого одной частью Земли в теплый день 1970 года. В этот день температура поверхности была около 320 Кельвинов = 47 Цельсия = 117 градусов по Фаренгейту. Это очень жарко, но поскольку спутник смотрел на часть Африки около экватора, сразу после полудня, это имеет смысл.
График основан на Hanel et al., Journal of Geophysical Research, 77, 2629 (1972) и Американском химическом обществе.
В: На каких длинах волн излучается большая часть этого инфракрасного излучения?
Верно. Пик спектра приходится на диапазон от 12 до 18 микрометров.
Но это простая модель, без атмосферы. Когда мы изучаем РЕАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ, проведенные в реальной атмосфере, мы видим нечто иное: обратите внимание на гигантский провал в излучении примерно между 12 и 18 микрометрами.
График основан на Hanel et al., Journal of Geophysical Research, 77, 2629 (1972) и Американском химическом обществе.
это СО2 который отвечает за поглощение инфракрасного света на этих длинах волн и, таким образом, предотвращает выход большей части инфракрасного излучения с поверхности в космос.
Ладно, хватит об атмосфере. Давайте снова сосредоточимся на поверхности.
Миссия Pioneer Venus смогла предоставить нам первый взгляд на общую поверхность Венеры, используя «простую» версию радара. Он посылал импульсы радиоволн прямо на поверхность, где некоторые из них отражались и возвращались обратно к космическому кораблю. Измерив время, необходимое радиоволнам для прохождения туда и обратно, ученые смогли определить высоту космического корабля над землей.
Поскольку Pioneer Venus вращался вокруг планеты, этот «радиовысотомер» позволил нам создать карту всей планеты с низким разрешением. Обратите внимание, что самые маленькие «пиксели» имеют размер более 100 км, так что это довольно грубая картина.
Изображение предоставлено Исследовательским центром Эймса НАСА, Геологической службой США и Мессачусетским технологическим институтом, а также Викимедиа.
Мы можем видеть два больших «континента», а также несколько гораздо меньших, расположенных среди в целом более низкой и плоской местности.
В 1990 году космический корабль, оснащенный более мощной версией радара, достиг Венеры. В миссии Magellan использовался «радар с синтезированной апертурой» (SAR), который мог различать с орбиты гораздо более мелкие детали.
Изображение предоставлено NASA/JPL.
Карты, составленные Магелланом, позволяют очень детально изучить поверхность Венеры.
Изображения предоставлены NASA/JPL.
Сколько лет поверхности Меркурия и Венеры?
- Использование кратеров для определения возраста поверхности
Давайте применим эти идеи на практике на поверхности Меркурия и Венеры.
Теперь с Меркурием все просто: мимо Меркурия пролетели несколько космических аппаратов, предоставивших изображения его поверхности. Без какой-либо атмосферы ничто не закрывает нам взгляд на особенности. На изображении ниже показана та же область планеты: в оттенках серого слева и с усиленными цветами справа, чтобы показать области с другим химическим составом.
Изображение предоставлено НАСА/Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса/Вашингтонский институт Карнеги.
Можно увидеть МНОГО кратеров, больших, маленьких и промежуточных.
Изображение Меркурия предоставлено НАСА/Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса/Вашингтонским институтом Карнеги.
Ученые очень внимательно изучили изображения, отделив кратеры от других геологических объектов. Например, на изображении ниже зеленые кружки обозначают кратеры, а желтые — холмы.
Изображение предоставлено НАСА/Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса/Вашингтонский институт Карнеги.
Одна команда сосредоточилась на участке поверхности, на котором было особенно много кратеров; они интерпретируют это как указание на то, что этот регион значительно старше, чем окрестности с меньшим количеством кратеров.
Рисунок 1 взят из Marchi et al., Nature 499, 59 (2013).
Когда они изучили количество кратеров разного размера, они обнаружили взаимосвязь между некоторыми из самых старых областей лунной поверхности (до столкновения с бассейном Нектариса) и более новыми частями лунной поверхности (после основного удара Нектариса). Команда пришла к выводу, что эта часть поверхности Меркурия имеет возраст примерно 4,0 — 4,1 миллиарда лет.
Рисунок 2а взят из Marchi et al., Nature 499, 59 (2013) с добавленными метками.
Поверхность Венеры совсем другая. На изображениях ниже показаны регионы размером примерно 1000 x 1000 км. Сколько кратеров вы видите?
Изображение предоставлено Научным центром астрогеологии Геологической службы США.
Изображение предоставлено Научным центром астрогеологии Геологической службы США.
Ответ: не много. Мы можем видеть несколько очень больших кратеров, но их очертания скорее бледные, чем четкие и четкие.
Хотя на поверхности есть несколько четких, относительно новых ударных кратеров, таких как Изабелла,
есть еще много разрушенных остатков кратеров, таких как Олкотт:
Изображение Олкотт предоставлено командой Magellan и Википедией.
В: Почему мы видим так мало кратеров на поверхности Венеры?
- густая атмосфера на поверхности может привести к ЭРОЗИИ особенностей
- материал, вытекающий из ВУЛКАНОВ, покрыл старые черты новыми, гладкими слоями горных пород.
На Венере много вулканов.
Карта вулканов на Венере предоставлена Planet Volcano в Университете штата Орегон.
Мы можем видеть остатки потоков лавы, растекающихся по ландшафту сверху.
Изображение предоставлено NASA/JPL.
. или в компьютерном «виде сбоку»:
Изображение предоставлено NASA/JPL.
Некоторые из «блинчатых куполов», образованных материалом, вытекавшим из вулканов на Венере, огромны: многие сотни километров в поперечнике, намного больше, чем любые вулканы на Земле. На Земле движение тектонических плит переносит земную кору мимо «горячих точек» в мантии, препятствуя извержению любого вулкана на очень долгое время. На Венере отсутствие тектонических движений может позволить одному вулкану извергаться снова и снова, создавая эти гигантские «блинчики».
- Боттке и др. (2015)
- Ле Февр и Вечорек, Икар, 214, 1 (2011)
утверждают, что типичный возраст может быть ближе к 0,2 миллиарда лет.
Резюме
- Поверхность Меркурия колеблется между очень горячими и очень низкими температурами из-за очень медленного периода вращения и отсутствия атмосферы.
- Сильно изрытая кратерами поверхность Меркурия предполагает, что на нем мало тектонической или вулканической активности.
- Венера имеет очень плотную атмосферу, в которой преобладает углекислый газ.
- Эта очень плотная атмосфера вызывает сильный парниковый эффект, повышая температуру поверхности Венеры примерно до 465 градусов Цельсия = 740 градусов Кельвина.
- Что вызывает парниковый эффект? Улавливание инфракрасного излучения с поверхности планеты молекулами в атмосфере планеты.
- На поверхности Венеры очень мало ударных кратеров и много вулканов и потоков лавы; кажется, что он намного моложе поверхности Луны и Меркурия.
Чтобы получить больше информации
- Мир перемен: глобальные температуры от НАСА.
- Глобальная температура от NASA/GISS.
Авторское право © Майкл Ричмонд. Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.
