Marsi kliima
Marsi kliima on planeedi Marss keskmistatud ilmade režiim.
Kuigi Marsi mass on kõigest 11% Maa omast ning Marss on Päikesest 50% kaugemal[1], on kahe planeedi kliima mitmes mõttes sarnane. Mõlema planeedi poolused on kaetud jääga ning mõlemal esinevad aastaajad. Kuid leidub ka erinevusi, näiteks on Marsil palju väiksem termiline inertsus. Marsi atmosfääri skaalakõrgus on umbes 11 kilomeetrit[1], see on 60% suurem kui Maal.
Marssi on uuritud Maal asuvate instrumentidega alates 17. sajandist. Lähiuuringud said võimalikuks alles 1960. aastate keskel, mil hakati Marsi juurde kosmoseaparaate saatma. Marsi keskmine atmosfääritemperatuur on −63 °C.[1] Pinnatemperatuur varieerub vahemikus 20 °C (keskpäeval ekvaatoril) kuni −125 °C (poolustel).[2] Marsil ei esine taimestikku ega vihmasadu, seega planeedi jaotamine kliimavöötmetesse baseerub peamiselt temperatuuril, samuti võib seda edasi arendada tolmujaotuse, veeauru koostise ja lume esinemise järgi. Ka võib Marsi jagada päikesekliimatsoonideks.
Marsi paleoklimatoloogia
Marsi geoloogiline ajalugu jaotatakse kraatrite tiheduse põhjal kolmeks ajastuks: Noa, Hesperi ja Amazonase.[3]
Teadlased on arvamusel, et Marsi pinnal leidus minevikus vedelat vett. Selleks oletuseks annavad alust Marsilt leitud mineraalid jarosiit[4] ja götiit.[5] Mõnede kraatrite morfoloogia viitab samuti sellele, et nende tekkimise ajal oli pinnas märg.[6] Marsi maastiku erosiooni[7] ja orgude[8] uurimisel on samuti saadud tõendeid soojematest ja niiskematest oludest Noa ajastu Marsil (enam kui 4 miljardit aastat tagasi). Samas viitavad marsimeteoriitide keemilised analüüsid sellele, et keskmine pinnalähedane temperatuur Marsil on olnud viimased 4 miljardit aastat allpool 0 °C.[9]
Mõned teadlased arvavad, et suur hulk vulkaane Tharsise piirkonnas on avaldanud Marsi kliimale märgatavat mõju. Vulkaanipursetel vabaneb suur hulk gaasi, põhiliselt veeauru ja süsihappegaasi. Piisav kogus gaasi võinuks muuta Marsi atmosfääri tihedamaks kui Maa oma. Süsihappegaas on kasvuhoonegaas, mis tõstab planeedi temperatuuri, see kuumeneb kuna absorbeerib infrapunakiirgust. Seega võisid Tharsise vulkaanid muuta Marssi minevikus rohkem Maa sarnaseks. Marsil võis olla palju tihedam atmosfäär, temperatuur planeedil võis olla kõrgem ning seal võis leiduda ka veekogusid.[10]
Ilm
Marsi temperatuur ja atmosfääritsirkulatsioon varieeruvad aastate lõikes. Marsil ei ole ookeane, mis Maal mängivad aastasiseste ilmamuutuste tekkimisel suurt rolli. Mars Orbiter Camera andmed, mis alates 1999. aasta märtsist hõlmavad 2,5 Marsi aastat, näitavad et Marsi ilm on paremini ennustatav kui Maa oma.[11] 29. septembril 2008 tegi maandur Phoenix fotosid pilvedest sadavast lumest 4,5 kilomeetri kõrgusel Heimdali kraatri kohal. Lumi aurustus enne planeedi pinnale jõudmist.[12]
Atmosfäär
Atmosfäärirõhk
Marsi atmosfäär koosneb peamiselt süsihappegaasist ja keskmine atmosfäärirõhk planeedi pinnal on umbes 636 paskalit (Pa)[1] (Maal on see näitaja 100 000 Pa).[13] Seetõttu soojeneb Marsi atmosfäär energiat saades palju kiiremini kui Maa oma ja ka jahtub palju kiiremini. Kuigi Marsi temperatuur võib tõusta üle 0 °C, ei leidu Marsi pinnal madala atmosfäärirõhu tõttu püsivalt vedelat vett. Atmosfäärirõhk on allpool vee kolmikpunkti ning vedel vesi sublimeerub kiiresti veeauruks. Erandiks on madalad alad, eeskätt Hellas Planitia kraater (Marsi suurim kraater). See on nii sügav, et atmosfäärirõhk kraatri põhjas ulatub üle 1000 paskali, mis on ülalpool vee kolmikpunkti. Seega kui temperatuur ületaks kraatris 0 °C, siis võiks seal vedelat vett olemas olla.[14]
Tuul
Marsi pinnal on väga madal termiline inertsus, mis tähendab, et see soojeneb Päikeselt energiat saades kiiresti. Kui polaaralad välja arvata, siis on päevased temperatuurikõikumised planeedil 145 °C ringis.[2] Maal tekivad tihti tuuled seal, kus termiline inertsus järsult muutub, nagu näiteks maa ja mere piirl. Marsil meresid ei leidu, kuid on alasid, kus pinna termiline inertsus järsult muutub. Neil aladel tekivad hommikul ja õhtul tuuled.
Marsi madalamatel laiustel domineerib Hadley tsirkulatsioon.[15] Kõrgematel laiustel valitsevad ilma kõrg- ja madalrõhualad.
Kuna Marsil pole sademeid (v.a CO2 lumi), siis püsib tuulte poolt atmosfääri viidud tolm seal üsna kaua.[16]
Tolmutormid
Ühe globaalse tolmutormi ajal, mida NASA sond Viking vaatles, vähenes Marsi päevane õhutemperatuuri kõikumine 50 °C pealt ainult kümne kraadini. Tuule kiirus tõusis tund pärast tormi algust kuni 17 m/s, puhanguti 26 m/s.[17] 2001. aasta tormi käigus tõusis atmosfääri temperatuur kiirelt 30 °C võrra.[18] Kuna Marsi atmosfääril on madal rõhk, siis 18–22 m/s tugevused tuuled on võimelised viima tolmu atmosfääri, aga kuna Marss on väga kuiv, püsib tolm atmosfääris palju kauem kui Maal, kus vihm selle peagi välja viib.
Aastaaeg, mis järgnes tolmutormile, oli päevasel ajal 4 °C allpool keskmist temperatuuri. See oli nii, kuna atmosfääris olev tolm tõstis Marsi albeedot. Tolmutormid on kõige tavapärasemad periheeli ajal – siis, kui planeet saab 40% rohkem päikesevalgust kui afeeli ajal. Afeeli ajal tekivad veejää pilved, mis koos tolmuosakestega mõjutavad planeedi temperatuuri. 1950. aastatest alates tehtud vaatlused näitavad, et globaalse tolmutormi tõenäosus igal Marsi aastal on 1/3.
Metaan
Kuigi Maal on metaan kasvuhoonegaas, ei mõjuta Marsi atmosfääris olevad väikesed kogused sealset kliimat kuigivõrd. Väikestest metaanikogustest Marsi atmosfääris (mõni osake miljardi kohta (ppb)) andis avalikkusele esmakordselt teada teadlaste meeskond NASA Goddardi kosmosekeskuses 2003. aastal.[19] 2004. aasta märtsis avastasid ka Mars Express Orbiter[20][21] ja Maal asuvad observatooriumid Kanada-Prantsuse-Hawaii teleskoobiga[22] Marsi atmosfäärist metaani (10 nmol/mol). Nende vaatluste keerukuse tõttu ei ole teadlased siiski üksmeelel vaatluste usaldusväärsuse osas.
Kuna UV-kiirgus lagundaks tänapäevastes Marsi tingimustes praegused väikesed metaanikogused ainult 350 aastaga, siis peab mingi seni kindlaks tegemata protsess metaani aktiivselt juurde tootma. Üks võimalik geoloogiline metaaniallikas oleks vee ja kivimite vahelised keemilised reaktsioonid[23].
2012. aasta augustis Marsil maandunud kulgur Curiosity mõõtmiste põhjal on tema maandumiskohas atmosfääris vähem kui 5 ppb metaani. 16. detsembril 2014 teatas NASA, et on avastanud Curiosity mõõtmiste põhjal metaani tõusu Marsi atmosfääris. See leidis aset 2013. aasta lõpus ja 2014. aasta alguses. Metaani kontsentratsioon tipphetkel oli 7 ppb, enne ja pärast tõusu oli sama näitaja kümme korda väiksem. Arvatavasti oli tegemist lokaalse nähtusega.
Süsihappegaasierosioon
Mars Reconnaissance Orbiteri tehtud piltidelt võib näha, et Marsil toimub ebatavaline erosioon. Kevadised temperatuuritõusud teatud piirkondades viivad CO2 jää sublimeerumiseni, mille tulemusel tekivad nii-öelda ämblikuorud.
Talvel tekkinud CO2 jää muutub kevadel auruks. Kui aur tekib nõrga jää all, siis tekivad CO2 geisrid.[24]
Pilved
Marsi tolmutormide käigus võib atmosfääri jõuda peeneid osakesi, mille ümber saavad moodustuda pilved. Need pilved võivad tekkida kuni 100 kilomeetri kõrgusel planeedi pinna kohal.[25] Pilved on väga tuhmid ning neid on võimalik näha ainult siis, kui need peegeldavad öötaevas päikesevalgust. Selles mõttes näevad need välja nagu helkivad ööpilved Maal, mis tekivad umbes 80 km kõrgusel maapinna kohal.
Marsi põhjapoolusel tekib igal suvel umbes samal ajal suur sõõrikujuline pilv, mis on iga kord enam-vähem sama suur. Pilve väline läbimõõt on umbes 1600 km ning sisemine auk on 320 km lai.[26] Pilv on valget värvi ning teadlased arvavad, et see koosneb veejääst. Pilv näeb välja nagu orkaan Maal, kuid see ei pöörle.[26]
Mäed
Nagu Maalgi, mõjutavad mäed Marsil planeedi ilma. Üks korduvatest ilmanähtustest, mida mõjutavad mäed, on spiraalne tolmupilv Arsia Monsi kohal. See võib kõrguda 15–30 km üle vulkaani tipu.[27] Pilvi leidub Arsia Monsi kohal terve Marsi aasta kestel, kuid kõige rohkem on neid hilissuvel. Mägesid ümbritsevate pilvede hulk oleneb aastaajast. Pilved ümber Olympus Monsi ja Ascreaus Monsi tekivad põhjapoolkera kevade ja suve ajal, saavutades tipp-punkti hiliskevadel. Pilved ümber Alba Patera ja Pavonis Monsi tihenevad lisaks veel hilissuvel. Talvel on vaadeldud väga vähe pilvi.[28]
Jää poolustel
Marsi poolused on kaetud jääga, peamiselt veejääga, kuid ka süsihappegaasijääga (kuiv jää). Kuiv jää koguneb põhjapoolusele ainult talvel ning sublimeerub täielikult suvel. Samas lõunapoolusel on püsiv kuiva jää kiht, millel on paksust kuni 8 meetrit.[29] See erinevus tuleneb sellest, et lõunapoolus on kõrgemal kui põhjapoolus. Talvel võib poolustel kondenseeruda nii palju atmosfääri, et atmosfäärirõhk võib varieeruda kuni kolmandiku võrra enda keskmisest väärtusest.[16] Seda tsüklit mõjutavad mitmed faktorid, näiteks orbiidi ekstsentrilisus.
Kevadel ja sügisel on tuul süsihappegaasi sublimeerumise tõttu nii tugev, et see võib põhjustada globaalseid tolmutorme.
Põhjapooluse jääkilbi diameeter on põhjapooluse suve ajal umbes 1000 km ja selle ruumala on umbes 1,6 miljonit kuupkilomeetrit. Lõunapooluse jääkilbi diameeter on 350 km ja maksimumpaksus 3 km. Mõlema pooluse jääkilbid kahanevad ja kasvavad koos aastaajaliste temperatuurikõikumistega.[30]
Lõunapooluse kevade ajal soojendab Päike jäälasundeid lõunapoolusel ja see viib jääaluste süsihappegaasikogumite tekkimiseni. Pärast piisava rõhu tekkimist paiskub gaas läbi jää. Need pursked sarnanevad geisritega Maal. Kuigi purskeid pole otseselt vaadeldud, jäävad neist maha tumedad laigud ning praod jääs.[31][32]
Päikesetuul
Marss kaotas enamiku enda magnetväljast umbes neli miljardit aastat tagasi. Selle tulemusel jõuavad päikesetuul ja kosmiline kiirgus otse Marsi ionosfäärini, mistõttu on atmosfäär õhem, kui see muidu oleks.
Enamik Marsi atmosfäärikaost on toimunud päikesetuule tõttu. Praeguse populaarse teooria kohaselt on praegune päikesetuul tunduvalt nõrgem kui minevikus, seega on praegune atmosfäärikadu märgatavalt väiksem, kui see oli minevikus.
Aastaajad
Marsi telje kalle on umbes 25,2°. Seetõttu esinevad Marsil aastaajad nagu Maalgi. Marsi orbiidi ekstsentrilisus on 0,1. See on palju enam kui Maa orbiidi ekstsentrilisus (0,02). Suure ekstsentrilisuse tõttu on lõunapoolkera talved pikad ja külmad ning põhjapoolkera omad lühikesed ja soojad.
Teadlased usuvad, et Marsi jää tekkis, kui Marsi orbiidi kalle oli praegusest väga erinev.[33][34][35] Kalle on väga muutlik, kuna Marsi kaks väikest kuud ei suuda seda stabiliseerida nagu Maa Kuu.[36][37]
Telje kalde ja ekstsentrilisuse pretsessioon viivad globaalse soojenemiseni ja jahenemiseni (suured suved ja talved) 170 000 aastase perioodiga.[38]
Mars Global Surveyori 4 Marsi aastat kestnud vaatluste põhjal avastati et planeedi ilm oli aastast aastasse sarnane. Teadlased olid isegi võimelised täpselt ennustama tolmutorme, mis leidsid aset Beagle 2 maandumise ajal.[39]
Tõendid hiljutise kliimamuutuse kohta
Marsi lõunapoolusel asuval Planum Australel on viimase mõne Marsi aasta jooksul toimunud kohalikud kliimamuutused. Aastal 1999 pildistas Mars Global Surveyor (MGS) auke jäätunud süsihappegaasikihis Marsi lõunapoolusel. Aastal 2001 pildistas MGS samu auke uuesti ja leidis, et need on kasvanud. Veel hiljutisemad vaatlused viitavad, et jää Marsi lõunapoolusel jätkab sublimeerumist. Augud jääs jätkavad kasvamist umbes 3 meetri võrra ühes Marsi aastas.[40]
Mujal planeedil leidub madalate laiuste aladel rohkem veejääd, kui peaks praegustes klimaatilistes tingimustes leiduma.[41][42]