Четвертая от Солнца планета, названная по имени бога войны - Марса, расположена в 1,5 раза дальше, чем Земля. Она движется по более вытянутой орбите, совершая полный оборот за 687 земных суток. Через каждые 780 дней Земля и Марс оказываются на минимальном расстоянии друг от друга, которое меняется от 56 до 101 млн. км. Такие сближения планет называют противостояниями. Если же расстояние менее 60 млн. км, то их называют великими. Великие противостояния наблюдаются через каждые 15-17 лет. Эксцентриситет орбиты Марса составляет 0,09, поэтому расстояние от Марса до Солнца меняется от 207 млн. км в перигелии до 250 млн. км в афелии.
Экваториальный радиус Марса - 3394 км на 20 км больше полярного. По массе Марс в десять раз меньше, а по площади поверхности в 3,5 раза меньше Земли. Орбиты Марса и Земли практически лежат в одной плоскости (угол между ними составляет 2 градуса). Период вращения Марса, определенный наземными телескопическими наблюдениями за яркими деталями поверхности, составляет 24 часа 39 минут и 36 секунд. Ось вращения Марса наклонена на угол 25,2 градуса от перпендикуляра к плоскости орбиты и направлена в Созвездие Лебедя.
На Марсе также наблюдается смена времен года, длительность которых почти вдвое больше. Из-за эллиптической орбиты сезоны в северном и южном полушария имеют разную продолжительность: лето в северном полушарии продолжается 177 марсианских суток, а в южном оно на 21 день короче и теплее на 20 градусов, чем лето в северном полушарии.
Из-за большей отдаленности от Солнца Марс получает лишь 43% той энергии, которую получает Земля. Среднегодовая температура там -60° С. В течение суток температура поверхности изменяется существенно. Например, в южном полушарии на широте 50 градусов температура в середине осени меняется от -18 градусов (в полдень) до -63 градусов (вечером). Однако, на глубине 25 см под поверхностью температура практически постоянная -60° С. в течение суток и не зависит от сезона. Максимальные значения температуры поверхности не превышают нескольких градусов выше 0, а минимальные значения зарегистрированы на северной полярной шапке -138°С.
Такие изменения температуры объясняются тем, что атмосфера Марса, состоящая на 95% из углекислого газа, очень разрежена и парниковый эффект отсутствует. Другие составляющие атмосферы: 2,5% азота, 1,6% аргона, менее 0,4 кислорода. Среднее давление атмосферы у поверхности (6,1 мбар) в 160 раз меньше, чем давление на уровне моря нашей планеты (1 бар). В самых глубоких впадинах оно может достигать 12 мбар. Атмосфера планеты сухая.
В хороший телескоп на поверхности Марса можно различить лишь крупные темные и светлые области поперечником в сотни и тысячи километров. Хорошо видны белые полярные шапки Марса. Еще в конце XVIII века выдающийся английский астроном В.Гершель заметил, что размеры белых полярных шапок периодически изменяются со сменой сезона. Летом шапки испаряются и уменьшаются в размерах, причем одновременно из полярных областей в умеренные широты распространяется "волна потемнения" участков поверхности.
В конце XIX века итальянские астрономы А.Секки и Дж.Скиапарелли сообщили, что неоднократно видели тонкие длинные темные линии, напоминающие сеть каналов, как бы связывающих полярные и умеренные зоны планеты. Американский астроном П.Ловелл предположил, что каналы имеют искусственное происхождение. Однако не все астрономы разделяли это мнение. Дело в том, что эти линии находились на пределе разрешения. В таких случаях отдельные пятна зрительно объединяются в линии. На фотографиях поверхности Марса, полученных с помощью космических станций, видно множество долин и трещин, однако совместить их с каналами, показанными на картах Скиапарелли, не удалось.
Полярные шапки Марса многослойны. Нижний, основной слой толщиной в несколько километров образован обычным водяным льдом, смешанным с пылью, который сохраняется и в летний период. Это постоянные шапки. Наблюдаемые сезонные изменения полярных шапок происходят за счет верхнего слоя толщиной менее 1 метра, состоящего из твердой углекислоты, так называемого "сухого льда".
Покрываемая этим слоем площадь быстро растет в зимний период, достигая параллели 50 градусов, а иногда и переходя этот рубеж. Весной с повышением температуры этот слой испаряется и остается лишь постоянная шапка.
"Волна потемнения" участков поверхности, наблюдаемая со сменой сезонов, объясняется изменением направления ветров, постоянно дующих в направлении от одного полюса к другому. Ветер уносит верхний слой сыпучего материала - светлую пыль, обнажая участки более темных пород. В периоды, когда Марс проходит перигелий, нагрев поверхности и атмосферы усиливается и нарушается равновесие марсианской среды. Скорость ветра усиливается до 69 км в час, начинаются вихри и бури. Более миллиарда тонн пыли поднимается и удерживается во взвешенном состоянии, при этом резко меняется климатическая обстановка на всем марсианском шаре. Продолжительность пылевых бурь иногда достигает 50 - 100 суток.
Первый запуск в сторону Марса осуществлен в начале ноября 1962г. КА "Марс 1" прошел на расстоянии 197000 км от планеты и передал данные о физических свойствах космического пространства. С целью отработки бортовых систем и проведения научных исследований два года спустя к Марсу направилась станция "Зонд 2". Однако первые фотографии поверхности Марса были получены КА "Маринер 4", запущенном одновременно с зондом и прошедшем на расстоянии 10000 км от его поверхности 15 июля 1965г. Оказалось, что Марс тоже покрыт кратерами. По данным КА были уточнены масса Марса и состав его атмосферы. С пролетной траектории исследовалась планета в 1969 году КА "Маринер 6, 7". Станции прошли на расстоянии 3400 км от Марса, передали несколько десятков снимков с разрешением до 300 м., а также была измерена температура южной полярной шапки, которая оказалась очень низкой -125° С.
В следующее окно запуска в мае 1971г. были запущены сразу несколько КА "Марс 2, 3" и "Маринер 9". КА "Марс 2, 3" вели исследования с орбит искусственных спутников, передавая данные о свойствах атмосферы и поверхности Марса по характеру излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра, а также в диапазоне радиоволн. Была измерена температура северной полярной шапки (ниже -110° С), определены протяженность, состав, температура атмосферы, температура поверхности планеты, получены данные о высоте пылевых облаков, слабом магнитном поле, а также цветные изображения Марса. СА "Марс 3" осуществил мягкую посадку на поверхность. Во время этих исследований (в декабре 1971г.) пылевая буря подняла в атмосферу столько пыли, что планета выглядела мутным красноватым диском. Во время пылевых бурь на Марсе возникает так называемый "антипарниковый эффект", когда облака пыли не пропускают приходящее солнечное излучение к поверхности, но пропускают уходящее от нее излучение и поэтому поверхность сильно охлаждается, а атмосфера разогревается.
КА "Маринер 9" тоже был переведен на орбиту искусственного спутника Марса с периодом около 12 часов. Когда следы пылевой бури исчезли в конце января 1972г. началось фотографирование поверхности, которое продолжалось десять месяцев. На Землю были переданы 7329 снимков Марса с разрешением до 100 м, а также фотографии его спутников Фобоса и Деймоса. На снимках марсианской поверхности хорошо видны гигантские потухшие вулканы, множество крупных и мелких каньонов и долин, похожих на высохшие русла, кратеры в общем похожие на лунные и отличающиеся от них своими выбросами, свидетельствующими о наличии подповерхностного льда, следами водной эрозии и ветровой активности. Уточнение состава атмосферы позволило выявить роль полярных шапок, при таянии которых образуются огромные массы углекислого газа и увеличивается давление над полярной шапкой, в результате чего образуются сильные ветры, поднимающие с поверхности мелкие частицы рыхлого грунта.
Изображение полярной шапки Марса, полученное КА "Маринер 9" 12 октября 1972г., когда шапка имела минимальныей поперечник около 1000 км. Темные детали внутри изображения - свободные от снега склоны, обращенные на юг. Под шапкой находятся выровненные слои отложений. Центр снимка находится на 89 с. ш. и 200 з. д. (Mariner 9, MTVS 4297-47)
Мозаика снимков КА "Викинг 2" южного полюса Марса, полученных 28 сентября 1977г. Южный полюс находится ниже центра кадра у нижнего правого края полярной шапки. Поперечник шапки, снятой во время зимы в южном полушарии, 400 км. (Viking 2 Orbiter MG90S000-407B)
Изображение лабиринта на западной окраине Долины Маринера на Марсе, полученное КА "Маринер 9". В этом районе преобладают линейные грабены, желоба и цепочки кратеров наряду с плосковершинными столовыми горами. Поперечник изображения, центр которого находится на (6 ю. ш. и 105 з. д.) краю Гор Фарсида, составляет 400 км. (Mariner 9, MTVS 4187-45)
Целая космическая флотилия из четырех КА "Марс 4, 5, 6, 7",запущенных в 1973г., достигли окрестностей Марса весной 1974г. Из-за неисправности бортовой системы торможения КА "Марс 4" прошел на расстоянии 2200 км от поверхности планеты выполнив ее фотографирование. КА "Марс 5" с орбиты искусственного спутника проводил дистанционные исследования поверхности и атмосферы. Двумя фотографическими камерами получены снимки поверхности различной степени детальности, в том числе и цветные изображения участков поверхности. СА "Марс 6" совершил мягкую посадку в южном полушарии. На Землю переданы данные о химическом составе, давлении и температуре атмосферы. КА "Марс 7" прошел на расстоянии 1300 км от поверхности, не выполнив своей программы.
Самыми результативными были полеты КА "Викинг 1, 2", запущенных в 1975г. На борту КА находились две телекамеры, инфракрасный спектрометр для регистрации водяных паров в атмосфере и радиометр для получения температурных данных. СА "Викинг 1" совершил мягкую посадку на Равнине Хриса 20 июля 1976г., а СА "Викинг 2" на Равнине Утопия 3 сентября 1976г.
Цветное изображение Равнины Хриса в месте посадки КА "Викинг 1" 30 августа 1976г. через месяц после посадки. Крупный белый объект внизу-слева от центра с американским флагом - крышка генератора RTG. Вверху справа видна антенна. К северо-западу находится изображение участка 22 с. ш., 50 з. д. Равнина Хриса - обширная пониженная область, покрытая крупными обломками, песком и пылью.(Viking 1 Lander, 12B069)
Изображение участка поверхности с посадочного аппарата "Викинг 2". На фоне красной почвы темные валуны выглядят выступающими. Спускаемый аппарат находится в 200 км от кратера Ми в Равнине Утопии вероятно на вершине внешнего вала одного из кратеров. Самые крупные валуны имеют поперечник 0,5 м. (Viking 2 Lander, 22A158)
Участок поверхности Марса в месте посадки СА "Викинг 2". Металический цилиндр справа - крышка от инструмента для забора грунта длиной 30 см, которая была отброшена после посадки. Слева от нее канава, выкопанная заборным устройством. Внизу справа видна одна из опор аппарата. Обратите внимание на щели в скальных породах, которые по-видимому образовались при истечении газов, когда лавовые породы затвердели. (Viking 2 Lander, 22G144)
Наряду с изучением атмосферы, метеорологических условий, свойств грунта в местах посадок были проведены уникальные эксперименты с помощью специальных лабораторий для обнаружения самых незначительных признаков жизни в грунте. Выдвижное устройство захватывало образец марсианского грунта и помещало его в один из контейнеров, содержавших запас воды или питательных веществ. Поскольку любые живые организмы меняют среду своего обитания, приборы должны были зафиксировать эти изменения. Хотя некоторые изменения среды в плотно закрытом контейнере наблюдались, к таким же результатам могло привести наличие сильного окислителя в грунте, поэтому нельзя уверенно отнести эти изменения за счет деятельности бактерий. Работа СА "Викинг 1" продолжалась в течение 4 лет, а СА "Викинг 2" - более 6 лет. С орбитальных станций выполнено детальное фотографирование поверхности Марса и его спутников. На основе данных КА "Викинг 1, 2" составлены подробные карты поверхности Марса, геологические, тепловые и другие специальные карты.
В задачу станций "Фобос 1, 2", запущенных после тринадцатилетнего перерыва, входило исследование Марса и его спутника Фобоса. В результате неверной команды с Земли "Фобос 1" потерял ориентацию и связь с ним не удалось восстановить. КА "Фобос 2" вышел на орбиту искусственного спутника Марса в январе 1989г. и совершил ряд орбитальных маневров при сближении с Фобосом. Дистанционными методами получены данные об изменении температуры на поверхности Марса и новые сведения о свойствах пород, слагающих Фобос. Получено 38 изображений Фобоса с разрешением до 40 м, измерена температура поверхности Фобоса, составляющая в наиболее горячих точках 30°С. К сожалению осуществить основную программу по исследованию Фобоса не удалось. Связь с аппаратом была потеряна 27 марта 1989г.
На этом не закончилась серия неудач. КА "Марс Обсервер", запущенный в 1992г. с целью изучения планеты в течение одного марсианского года, составляющего почти два земных года, также не выполнил своей задачи. Связь с ним была потеряна 21 августа 1993г. Не удалось вывести на траекторию полета к Марсу и станцию "Марс 96" из-за неполадок в разгонном блоке.
Запуски КА "Марс Глобал Сервейер" и небольшого КА "Марс Пасфайндер" в конце 1996г. прошли успешно. Маленький марсоход, доставленный КА "Пасфайндер" выполнил исследования химического состава пород в окрестностях места посадки. КА "Марс Глобал Сервейер" успешно фотографирует поверхность с высоким разрешением. В том числе были получены снимки загадочного "сфинкса", который при разрешении в 40 метров оказался обычной горкой, пересеченной трещиной.
Для поверхности Марса характерна глобальная асимметрия в распределении пониженных участков - равнин, составляющих 35% всей поверхности и возвышенных, покрытых множеством кратеров областей. Большая часть равнин расположена в северном полушарии. Граница между ними в ряде случаев представлена особым типом рельефа - столовыми горами, сложенными плосковершинными горками и хребтами.
Четыре гигантских потухших вулкана возвышаются над окружающей местностью на высоту до 26 км. Самый крупный из них - гора Олимп, расположенный на западной окраине гор Фарсида, имеет основание диаметром 600 км и кальдеру на вершине поперечником 60 км. Три вулкана: гора Аскрийская, гора Павлина и гора Арсия расположены на одной прямой на вершине гор Фарсида, высотой около 9 км. Сами вулканы возвышаются над Фарсидой еще на 17 км. Более 70 потухших вулканов найдено на Марсе, но они гораздо меньше и по занимаемой площади и по высоте.
Цветная мозаика снимков вулкана Гора Олимп на Марсе, полученных 22 июня 1978г. КА "Викинг 1". Диаметр основания вулкана 600 км, а вершина находится на высоте - 24 км над окружающей местностью. (Viking 1 Orbiter MH20N133-735A)
Снимок с КА "Викинг 1" сложной кальдеры на вершине вулкана Гора Олимп на Марсе. Внутри кальдеры видны крунговые грабены и жилы. Вершину окружают радиальные террасы. Ширина кадра 175 км. (Viking Orbiter 890A68)
На снимке с КА "Викинг 1" кратера Пикеринг на Марсе виден край крупного вулканического потока от Горы Арсия, расположенной в 1500 км. Фронты потока видны около центрального пика кратера диаметром 120 км. Поперечник изображения 280 км. (Viking Orbiter 056A12)
Гигантская долина глубиной до 6 км и протяженностью более 4000 км находится к югу от экватора. Ее назвали Долиной Маринера. Множество долин меньших размеров, борозд и трещин выявлено на поверхности Марса, свидетельствующих о том, что в древности на Марсе была вода и, следовательно, атмосфера была более плотной.
Цветная мозаика снимков ка "Викинг 1, 2" на Каньон Кандор, являющийся частью системы Долины Маринера.Ширина каньона 800 км, центр которого находится на 6,5 ю. ш.,71 з. д. На стенах и дне видны следы эррозии и оползней. (Viking Orbiter NJ05S070-912A)
Под поверхностью Марса в отдельных областях находится слой вечной мерзлоты толщиной в несколько километров. В таких районах на поверхности у кратеров видны необычные для планет земной группы застывшие флюидизированные потоки, по которым можно судить о наличии подповерхностного льда. За исключением равнин поверхность Марса сильно кратерирована. Кратеры, как правило, выглядят более разрушенными, чем на Меркурии или Луне. Следы ветровой эрозии можно видеть повсюду.
Снимок кратера Юти на Марсе диаметром 18 км (22 с. ш., 34 з.д.), окруженный флюидизированными выбросами, частично перекрывающими один из старых кратеров. Снимок сделан КА "Викинг 1". (Viking Orbiter 003A07)
На современных картах Марса наряду с новыми наименованиями, присвоенными формам рельефа, выявленным по космическим снимкам, используются древние географические и мифологические названия, предложенные Скиапарелли. Самая крупная возвышенная область, поперечником около 6000 км и высотой до 9 км получила название Фарсида (так на древних картах назывался Иран), а огромная кольцевая депрессия на юге диаметром более 2000 км названа Элладой (Греция). Сильно кратерированные участки поверхности получили название земель: Земля Прометея, Земля Ноя и другие. Долинам даются названия планеты Марс, используемые у разных народов. Крупные кратеры названы в честь ученых, а небольшие кратеры носят названия населенных пунктов Земли. Особенности строения поверхности Марса наглядно показаны на Глобусе Марса, выпущенном в 1993г. при участии ГАИШ.
Фобос и Деймос - естественные спутники Марса.
Спутники Марса были открыты в 1877г. во время великого противостояния американским астрономом А. Холлом. Их назвали Фобос (в переводе с греческого Страх) и Деймос (Ужас), поскольку в античных мифах бог войны всегда сопровождался своими детьми страхом и ужасом.
Глобальный снимок спутника Марса Фобоса, полученный КА "Викинг 1". Слева от центра виден кратер Стикни (5 ю. ш., 55 з. д.) диаметром 10 км от которого радиально отходят борозды и цепочки кратеров. Поперечник Фобоса на этом изображении составляет примерно 20 км. Ниже центра кадра находится подмарсианская точка поверхности. (Viking Orbiter 357A64)
Изображение Фобоса, полученное КА "Викинг 1" 19 февраля 1977г. с расстояния 600 км. Терминатор проходит вдоль долготы 180 градусов, поэтому большая часть западного полушария видна на снимке. Южный полюс находится ниже центра кадра, поперечник которого составляет 18 км. (Viking Orbiter 242A19)
Спутники очень маленькие по размерам и имеют неправильную форму. Фобос (в переводе с греческого Страх) и Деймос (Ужас) - два маленьких спутника Марса были открыты американским астрономом Холлом во время великого противостояния 1877г. Размеры Фобоса 28х20х18 км, а Деймоса 16х12х10 км. КА "Маринер 7" случайно сфотографировал Фобос на фоне Марса в 1969г., а КА "Маринер 9" передал множество снимков обоих спутников, на которых видно, что поверхности спутников неровные, обильно покрытые кратерами. Несколько близких подлетов к спутникам совершили КА "Викинг" и "Фобос 2". На самых лучших фотографиях Фобоса видны детали рельефа размером в 5 метров.
Орбиты спутников - круговые: Фобос обращается вокруг Марса на расстоянии 6000 км с периодом 7 час. 39 мин. Деймос находится почти в 2,5 раза дальше, а период его обращения составляет 30 час. 18 мин. Период вращения вокруг оси каждого из спутников совпадает с периодом обращения вокруг Марса. Большие оси спутников всегда направлены к центру планеты. Фобос восходит на западе и заходит на востоке по 3 раза за марсианские сутки. Средняя плотность Фобоса - менее 2 г/см3, а ускорение свободного падения составляет 0,5 см/с2. Человек весил бы на Фобосе несколько десятков грамм, поэтому с Фобоса, подпрыгнув, легко улететь в космос. Самый крупный кратер на Фобосе имеет диаметр 8 км, сопоставимый с наименьшим поперечником спутника. На Деймосе наибольшая впадина имеет диаметр 2 км.
Изображение спутника Марса - Деймоса, полученное КА "Викинг 2" с расстояния 500 км. На этом расстоянии поверхность выглядит ровной. Много кратеров погребено под реголитом (смеси почвы и обломочного материала). На изображениях с более близкого расстояния поверхность выглядит сильно кратерированной. Деймос имеет не сферическую форму, его размеры 10х16 км. (Viking Orbiter 428B60)
Небольшими кратерами поверхности спутников усеяны примерно также как и Луна. При общем сходстве, обилии мелко раздробленного материала, покрывающего поверхности спутников Фобос выглядит более "ободранным", а Деймос имеет более сглаженную, засыпанную пылью поверхность. На Фобосе обнаружены загадочные борозды, пересекающие почти весь спутник. Борозды имеют ширину 100-200 м и тянутся на десятки километров. Глубина их от 20 до 90 метров. Есть несколько гипотез, объясняющих происхождение этих борозд, но пока нет достаточно убедительного объяснения, как впрочем, и объяснения происхождения самих спутников. Скорее всего это захваченные астероиды.