هيكل الغلاف الجوي وخصائصه في كوكب المريخ

ما هو هيكل الغلاف الجوي في كوكب المريخ؟

يتم تحديد البنية الرأسية للغلاف الجوي للمريخ (أي علاقة درجة الحرارة والضغط بالارتفاع) جزئياً عن طريق توازن معقد للعديد من آليات نقل الطاقة، وجزئياً عن طريق إدخال الطاقة من الشمس في الغلاف الجوي وفقدانها بواسطة إشعاع في الفضاء.

يتحكم عاملان في البنية الرأسية للغلاف الجوي السفلي (تركيبته من ثاني أكسيد الكربون النقي تقريباً ومحتواه من كميات كبيرة من الغبار العالق)؛ لأن ثاني أكسيد الكربون يشع الطاقة بكفاءة في درجات حرارة المريخ يمكن للغلاف الجوي أن يستجيب بسرعة للتغيرات في كمية الإشعاع الشمسي الملقاة، يمتص الغبار المعلق كميات كبيرة من الحرارة مباشرة من ضوء الشمس ويوفر مصدراً موزعاً للطاقة في جميع أنحاء الغلاف الجوي السفلي.

خصائص الغلاف الجوي لكوكب المريخ:

• تعتمد درجات حرارة السطح (سطح كوكب المريخ) على خط العرض وتتقلب على نطاق واسع من النهار إلى الليل، في موقعي هبوط (Viking 1 وPathfinder) (كلاهما على خط عرض 20 درجة شمالاً)، كانت درجات الحرارة عند ارتفاع الإنسان تقريباً فوق السطح تتفاوت بانتظام من 189 كلفن (-119 درجة فهرنهايت أو -84 درجة مئوية) قبل شروق الشمس مباشرة إلى ارتفاع 240 كلفن في وقت مبكر من بعد الظهر.

هذا التأرجح في درجة الحرارة أكبر بكثير مما يحدث في المناطق الصحراوية على الأرض، يكون الاختلاف أكبر بالقرب من الأرض ويحدث لأن الغلاف الجوي الرقيق والجاف يسمح للسطح بإشعاع حرارته بسرعة أثناء الليل، أثناء العواصف الترابية يتم إعاقة هذه القدرة ويتم تقليل تأرجح درجات الحرارة.

• فوق ارتفاعات بضعة كيلومترات يكون التباين اليومي لدرجات الحرارة مخمداً، ولكن تظهر اهتزازات أخرى في جميع أنحاء الغلاف الجوي نتيجة الإدخال المباشر للطاقة الشمسية، هذه التذبذبات في درجة الحرارة والضغط، والتي تسمى أحياناً بالمد والجزر لأنها منتظمة ودورية ومتزامنة مع موقع الشمس، تعطي الغلاف الجوي للمريخ بنية عمودية معقدة للغاية.

• يستمر تبريد الغلاف الجوي مع الارتفاع بمعدل 1.5 كلفن لكل كيلومتر صعوداً إلى حوالي 40 كيلومتر (25 ميل)، وعند هذا المستوى (يسمى التروبوبوز) تصبح درجة الحرارة ثابتة تقريباً 140 كلفن، هذا المعدل الذي تم قياسه بواسطة مركبة الفضاء فايكنغ (وبعد ذلك باثفايندر) أثناء هبوطها عبر الغلاف الجوي كان منخفضاً بشكل غير متوقع، توقع العلماء أن تكون قريبة من 5 كلفن لكل كيلومتر، هذا المعدل أقل بكثير من المتوقع للهواء النقي بسبب الكمية الكبيرة من الغبار المعلق.

• فوق 100 كم (60 ميلا) يتم تحديد بنية الغلاف الجوي من خلال ميل الجزيئات الثقيلة إلى التركيز تحت الجزيئات الأخف، تتغلب عملية الفصل المنتشر على ميل الاضطراب لخلط جميع المكونات معاً، في هذه الارتفاعات العالية يؤدي امتصاص الأشعة فوق البنفسجية من الشمس إلى تفكك الغازات وتأيينها، ويؤدي إلى تسلسلات معقدة من التفاعلات الكيميائية.

• يبلغ متوسط ​​درجة حرارة الجزء العلوي من الغلاف الجوي حوالي 300 كلفن (80 درجة فهرنهايت أو 27 درجة مئوية).

الأرصاد الجوية وديناميات الغلاف الجوي في كوكب المريخ:

يُظهر النمط العالمي لدوران الغلاف الجوي على المريخ العديد من أوجه التشابه السطحية مع تلك الموجودة على الأرض، لكن الأسباب الجذرية مختلفة تماماً، ومن بين هذه الاختلافات قدرة الغلاف الجوي على التكيف بسرعة مع الظروف المحلية لمدخلات الحرارة الشمسية، مثل نقص المحيطات التي تتمتع على الأرض تملك مقاومة كبيرة للتغيرات في درجات الحرارة، النطاق الكبير في ارتفاع السطح، التسخين الداخلي القوي للغلاف الجوي بسبب الغبار المعلق والترسب الموسمي وانبعاث جزء كبير من الغلاف الجوي للمريخ عند القطبين.

كانت الرياح القريبة من السطح في مواقع هبوط (Viking وPathfinder) عادةً منتظمة في السلوك وخفيفة بشكل عام، كان متوسط ​​السرعات أقل من 2 متر في الثانية (4.5 ميل في الساعة)، على الرغم من تسجيل هبات تصل إلى 40 متر في الثانية (90 ميل في الساعة)، قدمت الملاحظات الأخرى (بما في ذلك خطوط الغبار التي تهب عليها الرياح والأنماط في حقول الكثبان الرملية وفي العديد من أنواع السحب) أدلة إضافية حول الرياح السطحية.

تتنبأ نماذج الدوران العالمية (التي تتضمن جميع العوامل التي يُفهم أنها تؤثر على سلوك الغلاف الجوي) باعتماد قوي للرياح على فصول المريخ؛ بسبب التدرجات الكبيرة في درجات الحرارة الأفقية المرتبطة بحافة القمم القطبية في الخريف والشتاء، تتشكل تيارات نفاثة قوية بسرعات باتجاه الشرق تزيد عن 100 متر في الثانية (225 ميل في الساعة) عند خطوط العرض العالية في الشتاء.

يكون الدوران أقل دراماتيكية في الربيع والخريف عندما تسود الرياح الخفيفة في كل مكان، كما أن كوكب المريخ على عكس الأرض يمتلك على دوران قوي نسبياً بين الشمال والجنوب ينقل الغلاف الجوي من وإلى قطبي الشتاء والصيف، يكون نمط الدوران العام في بعض الأحيان غير مستقر ويعرض حركات موجية واسعة النطاق وعدم استقرار.

تنتشر الحركات والتذبذبات على نطاق أصغر مدفوعة بالشمس والتضاريس السطحية في كل مكان، على سبيل المثال في مواقع هبوط (Viking وPathfinder) تتغير الرياح في الاتجاه والسرعة على مدار اليوم استجابةً لموقع الشمس والمنحدر المحلي للأرض.