C6. PLANETA MARTE. BAZA DE DATE VIKING LANDER 6.1 Planeta Marte ( lectura) Marte este a patra planetă din Sistemul Solar. Marte este adesea denumită Planeta Roşie (Figura 1) întrucât oxidul de fier este prevalent pe suprafaţa solului, conferindu-i o culoare roşiatică. Marte este o planeta solidă, cu un strat atmosferic rarefiat. Perioada de rotaţie ]n jurul axei proprii şi succesiunea anotimpurilor pe Marte sunt similare cu cele de pe Pământ. La suprafaţa planetei sunt vizibile cratere de impact, cratere vulvcanice, văi, deşerturi şi calote polare. Pe Marte se află cei mai înalţi munţi vulcanici din Sistemul Solar (Olympus), cu o înălţime de 22 km şi, de asemenea, cele mai mari canioane din Sistemul Solar (Valea Mariner) cu o adâncime de 7 km, o lăţime de 200 km şi 4000 km lungime (vezi harta din Figura 2). Marte are două luni, Phobos şi Deimos, ambele de dimensiune mică şi formă neregulată. In jurul planetei orbitează trei sateliţi artificiali funcţionali: Mars Odissey, Mars Express şi Mars Reconnaissance Orbiter. Pe suprafaţa planetei este operaţional un singur obiect pământean, roverul Curiosity (Figura 3). Planeta Marte este uşor de văzut cu ochiul liber de pe Pământ, fiind a 5-a ca strălucire de pe boltă, după Jupiter, Venus, Lună şi Soare. Figura 1. Planeta Marte vazuta de telescopul spatial Hubble in martie 1995 (stanga): Sol martian fotografiat in misiunea Mars Patfinder - 1997 1
Figura 2. Harta planetei Marte 3
Figura 3. Curiosity Misiuni spre Marte Pentru a înţelege istoria explorării planetei Marte este important să ştim că fereastra de lansare apare odată la 2.135 ani, 780 de zile. Fereastra de lansare defineşte un interval de timp în care energia necesară pentru lansarea misiunii este minimă. In tabelul de mai jos sunt enumerate câteva din momentele cheie în istoria explorării planetei Marte. Misiunea Lansare Sosire Final Tip misiune Observatii Mars 1960 10.10.1960-20.10.1960 Zbor spre Eşuează la lansare (URSS) Marte Mariner 4 28.11.1964 14.07.1965 21.12.1967 Zbor spre Marte Primul zbor spre planetă încheiat cu succes Mariner 9 30.05.1971 13.11.1971 27.10.1972 Satelit Primul satelit lansat Mars 3 (URSS) cu succes 28.05.1971 02.12.1971 22.08.1972 Satelit Succes 02.12.1971 Asolizare, rover Succes parţial, aterizare reuşită, transmisia întreruptă după 15 secunde Viking 1 Viking 2 20.08.1975 20.07.1976 07.08.1980 Satelit Succes 13.11.1982 Asolizare (VL1) Succes 09.09.1975 3.09.1976 17.08.1980 Satelit Succes 11.04.1980 Asolizare Succes (VL1) 4
MER-A MER-B MSL 10.06.2003 4.01.2004 03.2010 Rover Spirit 07.07.2003 25.01.2004 Partial Rover - operational Oportunity 26.11.2011 6.08.2012 operational Rover Curiosity Succes Succes Succes Pe harta din Figura 4 sunt marcate locurile în care au avut loc asolizări şi au fost colectate date. Pentru noi sunt importante locaţiile marcate VL1 şi VL2 (detalii in Fig.5 ). În 20 august 1976, Viking Lander 1 s-a separat de satelitul purtător şi a asolizat în Chryse Planitia. In 3 septembrie 1976 Viking Lander 2 (VL2) a asolizat în câmpia Utopia Planitia. VL1 a întrerupt transmiterea datelor spre Pământ în 13 noiembrie 1982, în timp ce VL2 a întrerupt transmisia în 11 aprilie 1980. Curiosity a asolizat în Gale Crater, la coordonatele 4.58 S 137.44 E. Figura 4 5
Viking Lander 1 februarie 1978 Viking Lander 2 mai 1979 Figura 5. Fotografii din locaţiile în care au asolizat VL1 şi VL2 Marte caracteristici principale Afeliu 249 209 300 km (1.665861 AU) Periheliu 206 669 000 km (1.381497 AU) Excentricitatea 0.093315 Perioada de revoluţie 686.971 zile (1.8808 an terrestru) Perioada de rotaţie 1.025957 zile Raza ecuatorială (polară) 3 396.2 ± 0.1 km (3 376.2 ± 0.1 km) Acceleraţia gravitaţională la ecuator 3.711 m/s 2 Viteza de scăpare 5.027 km/s Declinaţia 25.19 Albedo 0.170 Temperatura la suprafaţă (min; med; max) -87 C; -63 C; 20 C Presiunea atmosferică medie 0.00636 atm Comparaţie între dimensiunile planetelor Pământ şi Marte. 6
Atmosfera Se estimează că planeta Marte a pierdut magnetosfera cu 4 miliarde de ani în urmă şi ca urmare vântul solar interacţionează direct cu atmosfera marţiană, scăzând continuu densitatea aceasteia prin antrenarea în spaţiu a moleculelor din straturile superioare. Misiunile spaţiale Mars Global Surveyor şi Mars Express au detectat aceste fluxuri de particule ionizate în partea platenei opusă soarelui. In comparaţie cu atmosfera terrestră, atmosfera planetei Marte este mult mai rarefiată. Presiunea atmosferică la suprafaţă variază între 0.00030 atm pe vârful munteluui Olympus şi peste 0.0155 atm pe platoul Hellas. Ca urmare cea mai mare presiune atmosferică pe Marte este aproximativ egală cu presiunea atmosferică la 35 de km deasupra Pământului. Atmosfera planetei Marte constă din 95% dioxid de carbon, 3% azot, 1.6% argon şi conţine urme de oxigen şi apă. Atmosfera este încărcată cu praf (particule cu diametrul de de aproximativ 1.5 m) care dă cerului marţian o culoare portocaliu-gălbuie când este privit de pe sol. In atmosfera marţiană a fost detectat metan cu o concentraţie de 30 ppm. Acesta se găseşte sub forma unor nori ale căror formă sugereză că metanul din atmosferă este emanat în unele puncte de panetă. Principalul nor de metan conţine 19 000 tone cu o creştere de aprox. 0.6 kg/s. Forma norului sugereză că există două surse locale situate în punctele 30 N, 260 şi 0, 310. Se estimează că Marte produce 270 tone de metan pe an. La baza producerii metanului ar putea fi forme de viaţă microbiologice. Climatologie Datorită similarităţii înclinării axelor de rotaţie ale planetelor Pământ şi Marte, anotimpurile pe planeta Marte seamănă foarte mult cu cele de pe Pămînt. Dar lungimea anotimpurilor pe Marte este de două ori mai mare decât pe Pământ; Marte fiind mai departe de Soare decât Pământul durata anului marţian este aproape dublă faţă de durata anului terrestru. Temperatura la suprafaţa planetei variază de la -87 C în iernile polare până la aproximativ -5 C în vară. Acestă variaţie mare a temperaturii este datorată atmosferei subţiri şi rarefiate care nu poate înmagazina prea multă căldură. De asemenea, trebuie să luăm în considerare că planeta se află la o distanţă faţă de Soare de 1.52 ori mai mare ca Pămăntul 7
ceea ce înseamnă o reducere cu 43% a energiei solare receptate (Demonstraţi această afirmaţie). Excentricitatea mare a orbitei planetei Marte are un efect semnificativ asupra anotimpurilor. Când Marte este la periheliu în emisfera sudică este vară iar în emisfera nordică iarnă; când Marte se află la afeliu în emisfera sudică este iarnă iar în cea nordică vară. Ca urmare, anotimpurile în emisfera sudică au un climat fie mai sever fie mai blând decât în emisfera nordică. Vara, temperatura în emisfera sudică poate atinge 30 C, fiind mult mai cald decât în verile din emisfera nordică. Pe Marte au loc cele mai mari furtuni de nisip din Sistemul Solar. Când vântul depăşeste viteza de prag pentru antrenarea particulelor de nisip se nasc furtuni locale. Intinderea furtunilor de nisip poate varia de la furtuni locale mici la furtuni gigantice care pot acoperi întreaga planetă. Maga-furtunile par a se stârni când Marte este mai aproape de soare şi par a contribui la creşterea temperaturii globale a planetei. 6.2. Baza de date colectata in cazul misiunilor Viking Lander Notăm cu şi latitudinea şi longitudinea unui punct de pe suprafaţa planetei Marte. Ecuatorul marţian este definit de rotaţia planetei iar primul meridian este definit de craterul Airy-0 situat în marea Sinus (Alegerea meridianului zero a fost făcută de Merton Davies în 1969 pe baza fotografiilor făcute de Mariner 6 şi 7). Convenţional: -90 90 (pozitivă către nord) şi -180 180 (pozitivă spre est). Se consideră că anul marţian începe la echinoxul vernal. Locaţiile pentru pentru sondele VL1 şi Vl2 sunt: 1 = 22.27º; Г1 = -47.97º şi, respectiv, 2 = 47.57º; Г2 = 134.26º. In cele ce urmează, vom împărţi o zi marţiană (denumită sol) în 24 de ore marţiene (1 sol = 24 hmars) şi o oră marţiană în 3600 secunde marţiene (1hMars = 3600 smars). Ca urmare, 1 sol = 86400 smars şi durata unui an marţian va fi 1T = 57 801 600 smars. Notăm cu t timpul de-a lungul unui an marţian măsurat în secunde marţiene. La inceputul fiecărui an (LS = 0), t este iniaţilizat, t = 0. Ca urmare amiaza în a n-a zi marţiană (n sol) are loc la momentul tna, = 86400( n 1/ 2). 8
Unul dintre indicatorii atenuării radiaţiei solare în atmosferă este adâncimea optică (optical depth). Să recapitulăm. În cursul trecut am demonstrat că iradinţa directă la nivelul solului G poate fi scrisă generic în funcţie de fluxul de energie solară la nivel extraterrestru Gext sub forma: G = G (1) b e mk ext unde m este masa atmosferică şi K coeficientul de extincţie. Dacă soarele se află la zenit (m = 1), K se notează cu se numeşte adâncime optică. http://starbase.jpl.nasa.gov/ Figura 6. Reprezentări ale setului complet de măsurători pentru locaţia VL2 1. Drumul optic în funcţie de (a) Temperatură; (b) Presiunea atmosferică (c) Longitudinea areocentrica şi (d) Timpul solar local. 1 V. Badescu (Ed) Mars, Springer, Berlin, pg. 47. 9
Adâncimea optică în atmosfera marţiană a fost determinat din fotografii făcute Soarelui şi satelitului natural Phobos cu o fotodiodă specială montată pe camerele de luat vederi aflate pe VL1 şi VL2. Simultan au fost efectuate o serie de măsurători meteorologice. Datele sunt publice şi disponibile pe site-ul NASA: In figura 6 sunt patru grafice în care adâncime optică măsurată în locaţia VL2 este reprezentată în funcţie de patru mărimi: temperatura locală, presiunea atmosferică, longitudinea areocentrică şi timpul solar local. Se observă că în general adâncime optică scade pe măsură ce temperatura creşte. La temperaturi scăzute există un domeniu larg de variaţie a adâncimii optice. Ca urmare construirea unui model de iradianţă solară în condiţii de cer senin având la bază temperatura poate fi însoţit de erori semnificative. Odată cu creşterea presiuii atmosferice adâncima optică în medie creşte. Împrăştierea mare a datelor este determinată de schimbarea anotimpurilor, fapt bine documentat în literatură. Nu există o corelaţie evidentă între adâncima optică şi longitudinea areocentrică. Datele măsurate de VL2 acoperă toate anotimpurile. Primăvara şi vara atmosfera este curată şi adâncimea optică este scăzută în timp ce în iarnă adâncimea optică creşte. Nu există proporţionalitate evidentă între adâncimea optică şi timpul local. La momentele de răsărit şi apus ale soarelui adâncimea optică este scăzută. Acelaşi comportament al adâncimii optice a fost observat şi în locaţia VL1. Folosind datele din locaţia VL2 au fost fitate mai multe relaţii empirice pentru adâncimea optică ( ). Două dintre ele incluse în cartea Mars 2 sunt: ( p, L ) = 0.00124 p + 0.00826L (2) S 2.74616 0.66346 S ( T, L ) = 6793.3T + 0.00046L (3) S 1.765 0.9634 S In relaţiile (2) şi (3) p este presiunea atmosferică în hpa, T este temperatura ambientală în grade Kelvin şi LS este longitudinea areocentrică locală. Numărul total de măsurători luate în considerare la deducerea relaţiilor a fost de 388 iar abaterea medie pătatică a fost de 0.311 pentru relaţia (2) şi 0.331 pentru relaţia (3). Dar aceste relaţii sunt aproximative şi depind puternic de locaţie. De exemplu, în locaţia VL1 relaţia (2) devine: net diferită de (2). ( p, L ) = 1.6957 p + 0.00067L (4) S 0.8075 1.28059 S 2 V. Badescu (Ed) Mars, Springer, Berlin, pg. 48. 10
6.3. Explorarea bazei de date În fişierele postate pe site-ul NASA sunt disponibile măsurători ale temperaturii, presiunii atmosferice, adâncimii optice şi vitezei vântului la suprafaţa planetei Marte. Aceste date au fost culese în două locaţii din emisfera nordică, în toate anotimpurile unui an marţian. Cateva informaţii despre meteorologia planetei au fost prezentate în cursul anterior. Întrucât noi vom folosi datele culese de misiunile Viking prezentăm câteva date generale despre parametrii meteorologici în locurile de aterizare. La latitudinea misiunilor Viking temperatura în apropierea solului a variat între -17 C în timpul verii şi -107 C în timpul iernii. Media zilnică a presiunii atmosferice a variat între 7 şi 10 hpa, înregistrând valoarea minimă la longitudinea areocentrică Ls = 150 şi valoarea maximă la longitudinea areocentrică Ls = 300. Constanta solară pe orbita planetei Marte este GM = 588.41 W/m 2. Iradianţa solară globală pe o suprafaţă orizontală la nivelul solului poate atinge 400W/m 2 la amiază într-o zi clară de vară şi poate coborî sub 80 W/m 2 în timpul furtunilor de nisip din iarnă. Asa cum am văzut în prima parte a cursului datele culese în misiunile VL1 şi Vl2 sunt disponibile online pe site-ul NASA. Noi folosim datele arhivate în Viking Lander Meteorology and Atmospheric Opacity Data Set Archive http://starbase.jpl.nasa.gov/vl1-m-met-4-binned-p-t-v-corr-v1.0/vl_1001/ din baza de date a NASA Planetary Data System. Aceasta conţine cinci fişiere cu date, dintre care patru sunt de interes pentru noi: 1. vl_mbin.txt şi vl_tbin.txt conţin valori presiunii atmosferice, temperaturii şi vitezei vântului. vl_mbin.txt (8325 înregistrări) conţine date măsurate în locaţia VL1. vl_tbin.txt (25750 înregistrări) conţine date măsurate în aproape întrega perioadă a misiunii VL2 şi din perioada de început a misiunii VL1. In ambele cazuri numărarea zilelor marţiene (soli) începe cu data asolizării fiecărei staţii. Ambele fişiere vl_mbin.txt şi vl_tbin.txt conţin câte 25 valori medii ale fiecărui parametru pentru fiecare sol împărţit în intervale egale. 2. vl_opac.txt conţine 1044 înregistrări ale adâncimii optice a atmosferei însoţite de erorile de măsură. Fiecare înregistrare conţine adâncimea optică, timpul solar la care a 11
fost măsurată (în ore pământene) şi longitudinea areocentrică. Datele acoperă o perioadă de un an şi un sfert marţian. In timpul furtunilor de nisip din iarnă atmosfera era atât de opacă încât soarele nu a putut fi observat. Acest fişier a fost explorat în seminarul trecut. 3. Fisierul vl_avep.txt (3297 înregistrări) conţine valori zilnice ale presiunii atmosferice: medie, minimă şi variaţia maximă. Datele sunt măsurate în locaţiile VL1 (0 2245 soli) şi VL2 (0 1050 soli). Sirul de date nu este continuu. In directorul vl.zip gasiţi aceste fişiere împreună cu alte patru fişiere care explicitează coloanele. Aceste fişiere sunt: vl_mbin.lbl, vl_tbin.lbl, vl_opac.lbl, vl_avep.lbl. Aplicaţia MathCAD selectie_date.txt permite vizualizarea fişierelor, extrage din fişierele vl_mbin.txt şi vl_opac.txt coloanele de interes şi scrie pe disc fişiere de dimensiune mai redusă şi mai uşor de utilizat. Noile fisiere păstrează numele original doar că am extras vl din numele original. De exemplu fişierul derivat din vl_mbin.txt este dennumit mbin.txt. Semnificaţia coloanelor noilor fişiere este: mbin.txt c1 Id misiune (1 VL1 şi 2 VL2); c2 Anul misiunii; c3 Longitudinea areocentrică; c4 Ziua marţiană, contorizată din momentul asolizării; c5 Numarul intervalului orar (1 25) c6 Presiunea atmosferica medie in intervalul orar c5 c7 Temperatura medie in intervalul orar c5 opac.txt c1 Id misiune (1 VL1 şi 2 VL2); c2 Anul misiunii; c3 - Ziua marţiană, contorizată din momentul asolizării; c4 Ora locala; 12
c5 Minutul local; c6 Adâncimea optică; c7 - Longitudinea areocentrică; SEMINAR: Să se studieze baza de date NASA http://starbase.jpl.nasa.gov/. Descărcaţi date precum adâncimea optică, preiunea atmosferică temperatura şi organizaţi-le în fişiere.txt utilizabile în MathCAD. BIBLIOGRAFIE Badescu V (Ed) (2011) Mars. Prospective Energy and Material. Springer, Berlin Baza de date NASA: http://starbase.jpl.nasa.gov/ Observatorul Astronomic Amiral Vasile Urseanu http://www.astro-urseanu.ro/marte.html 13