Jaka jest temperatura na Marsie?

Chcesz wiedzieć, jaka jest temperatura na Marsie i czy da się tam kiedyś posadzić drzewo? Tutaj znajdziesz liczby, przykłady i wyjaśnienia, które stoją za pozornie prostym pytaniem o marsjański „mróz”. Poznasz też, jak naukowcy z całego świata próbują ten lodowaty świat ogrzać.

Jaka jest średnia temperatura na Marsie?

Na pierwszy rzut oka odpowiedź brzmi prosto – średnia temperatura na powierzchni Marsa to około -63°C. To wartość uśredniona dla całej planety, wszystkich pór roku i wszystkich szerokości areograficznych. W praktyce klimat Marsa jest dużo bardziej zmienny niż oczekuje wielu osób patrzących na „spokojne” czerwone zdjęcia z orbiterów.

Planeta leży dalej od Słońca niż Ziemia, a jej stała słoneczna wynosi około 593 W/m². Oznacza to wyraźnie mniejszy dopływ energii niż na naszej planecie. Do tego dochodzi cienka atmosfera – średnie ciśnienie zaledwie 6–8 hPa, czyli około 0,6% ziemskiego. Tak słaba powłoka gazowa praktycznie nie zatrzymuje ciepła, więc powierzchnia bardzo szybko się wychładza po zachodzie Słońca.

Różnica między temperaturą efektywną Marsa (około 212 K) a średnią temperaturą jego powierzchni jest niewielka – to dowód, jak słaby jest marsjański efekt cieplarniany.

Dlaczego średnia temperatura jest tak niska?

Średnia -63°C to nie przypadek. Mars ma stosunkowo wysokie albedo (około 0,22), więc część promieniowania słonecznego odbija się od pyłowej powierzchni i czap polarnych. Atmosfera zdominowana przez dwutlenek węgla (95,3%) mogłaby teoretycznie silnie ogrzewać planetę, jednak jest za rzadka, żeby działać jak ziemski „koc termiczny”. Niewielka ilość pary wodnej i niemal brak ozonu sprawiają, że górne warstwy atmosfery są bardzo chłodne.

Gdy fizycy atmosfery liczą temperaturę emisyjną planety, korzystają z równania równowagi radiacyjnej, gdzie liczy się dopływ energii od Słońca i promieniowanie własne planety. W przypadku Marsa daje to około 212 K, czyli -61°C. To wartość zaskakująco bliska obserwowanym -63°C, więc wpływ atmosfery na ogrzanie powierzchni jest niewielki w porównaniu z Ziemią, gdzie różnica sięga 33 K.

Jaka jest temperatura na Marsie w dzień, a jaka w nocy?

Najbardziej odczuwalna cecha Marsa to ogromne wahania temperatury w ciągu jednej doby. Marsjańska doba (sol) trwa około 24 godziny i 37 minut, więc jest tylko trochę dłuższa od ziemskiej, ale amplituda temperatur potrafi sięgać nawet 100°C w ciągu jednego sola.

W typowym rejonie równikowym w południe temperatura przy gruncie może wynosić około -5°C, czasem w sprzyjających warunkach wzrosnąć powyżej zera. W nocy ta sama lokalizacja potrafi ochłodzić się do -95°C. Powód jest prosty – cienka atmosfera ma małą pojemność cieplną i po zachodzie Słońca ciepło ucieka w kosmos praktycznie bez oporu.

Najcieplejsze miejsca na Marsie

Jeśli szukasz „najmniej zimnych” miejsc na Czerwonej Planecie, warto spojrzeć na równik i niektóre obszary wulkaniczne. Na równiku, w środku dnia, temperatura może lokalnie sięgać +20°C, a w regionie Tharsis w sprzyjających warunkach nawet +30°C. Tak wysokie wartości pojawiają się głównie latem, gdy Słońce świeci niemal pionowo, a grunt szybko się nagrzewa.

W rejonie Tharsis, gdzie znajdują się ogromne wulkany tarczowe, rzeźba terenu sprzyja lokalnemu zatrzymywaniu ciepła. W ciągu dnia powietrze nad rozgrzanymi stokami ogrzewa się silniej, zaś w nocy temperatura spada tam nieco łagodniej, np. do około -60°C, a nie do -90°C jak w innych rejonach o podobnej szerokości.

Nocne spadki temperatury

Noc marsjańska jest dużo brutalniejsza niż ziemska. W wielu miejscach temperatura spada wtedy poniżej -100°C, a na wysokich szerokościach, szczególnie zimą, potrafi osiągać -140°C. W warstwie przygruntowej tworzy się silna inwersja temperatury – kilka metrów nad gruntem może być nawet o kilkanaście stopni cieplej niż dokładnie przy powierzchni.

Instrumenty łazików Curiosity i Perseverance pokazują wyraźny cykl dobowy. Minimum temperatury przypada mniej więcej około lokalnej godziny 6, tuż przed wschodem Słońca. Potem, gdy promienie zaczynają ogrzewać powierzchnię, w dolnej warstwie atmosfery pojawia się intensywna konwekcja. Wiry pyłowe i prądy wznoszące przenoszą ciepło kilka kilometrów w górę.

Jakie są temperatury na Marsie w różnych miejscach?

Temperatura na Marsie zależy nie tylko od pory dnia, ale też od szerokości areograficznej, wysokości terenu i pory roku. Ekscentryczna orbita planety sprawia, że różnice między peryhelium i aphelium dają nawet 30–40 K różnicy w temperaturach powierzchni.

W sezonie peryhelium, kiedy Mars jest bliżej Słońca, południowa półkula otrzymuje znacznie więcej energii. Lato na południu bywa wtedy wyraźnie cieplejsze niż lato na półkuli północnej. To z kolei wpływa na czapy polarne, burze pyłowe i przebieg ciśnienia atmosferycznego w skali całego roku.

Temperatura w dolinach i kraterach

Rzeźba terenu mocno zmienia lokalny bilans cieplny. Głębokie struktury, takie jak Hellas Planitia, potrafią być cieplejsze od otaczających wyżyn. Wyższe ciśnienie w dnie basenu Hellas, większa gęstość powietrza i lepsze „uszczelnienie” doliny sprzyjają nieco wyższym temperaturom. To dlatego analizy zespołu prof. Roberta Olszewskiego z Politechniki Warszawskiej wskazują właśnie Hellas jako jeden z pierwszych obszarów, który mógłby się „dogrzać” w scenariuszach terraformacji.

Dodatkową rolę odgrywa albedo podłoża. Ciemniejsza skała i pył pochłaniają więcej energii niż jasne osady czy zlodowacenia. Tam, gdzie grunt jest mniej odbijający, maksymalne temperatury dzienne potrafią być wyższe o kilkanaście stopni niż na sąsiednich, jaśniejszych obszarach.

Dlaczego na Marsie jest tak zimno?

Można wskazać kilka głównych czynników, które razem „zamrażają” Marsa. Pierwszy to większa odległość od Słońca. Drugi – bardzo cienka atmosfera, która nie zatrzymuje ciepła. Trzeci – słabe pole magnetyczne, przez co wiatr słoneczny od miliardów lat „odrywa” atmosferę planety. Efekt to rzadkie powietrze, niskie ciśnienie i ogromne straty energii radiacyjnej.

Znaczenie ma również budowa atmosfery. Choć CO₂ jest silnym gazem cieplarnianym, na Marsie działa inaczej niż w gęstej atmosferze ziemskiej. Mała masa całkowita atmosfery ogranicza pochłanianie promieniowania długofalowego i emisję w dół. Efekt cieplarniany istnieje, ale nie wystarcza, by podnieść temperatury do poziomu zbliżonego do ziemskiego.

Rola czap polarnych i suchego lodu

Na biegunach Marsa znajdują się czapy polarne złożone z lodu wodnego i suchego lodu (CO₂). Zimą tworzy się tam gruba warstwa stałego dwutlenku węgla – na północy około 1 metra, na południu nawet osiem razy więcej. Gdy nadchodzi lato, CO₂ sublimuje, wraca do atmosfery i podnosi ciśnienie nawet o 30%.

Ten sezonowy „oddech” atmosfery wpływa na rozkład temperatur. W czasie intensywnej sublimacji czapa odbija dużo promieniowania, ale jednocześnie uwolniony CO₂ nieco wzmacnia efekt cieplarniany. Zimą, gdy CO₂ odkłada się na powierzchni, atmosfera dodatkowo się rozrzedza i temperatura spada jeszcze bardziej, szczególnie w regionach polarnych.

Wpływ burz pyłowych na temperaturę

Mars słynie z gigantycznych burz pyłowych, które potrafią ogarnąć całą planetę. Wiatr o prędkości nawet 300 km/h unosi ogromne ilości pyłu. Ten pył pochłania promieniowanie słoneczne w górnych warstwach atmosfery, ogrzewa je, a jednocześnie ogranicza ilość światła docierającą do powierzchni. W efekcie górna atmosfera się nagrzewa, a temperatura przy gruncie w dzień nieco maleje.

W nocy sytuacja się odwraca. Zawieszony pył emituje promieniowanie podczerwone, które częściowo „oddaje” ciepło w dół. Dlatego podczas globalnych burz pyłowych amplituda dobowa temperatury potrafi być mniejsza, natomiast średnia temperatura maksymalna w atmosferze rośnie. Modele klimatyczne pokazują wyraźną modyfikację profilu temperatury w pionie, gdy pyłu jest dużo w porównaniu z okresem „czystej” atmosfery.

Jak temperatura na Marsie wpływa na możliwość życia i terraformacji?

Jeśli myślisz o życiu na Marsie, niska temperatura i duża amplituda dobowa są jednym z największych wyzwań. Woda w stanie ciekłym na powierzchni praktycznie nie może istnieć przy obecnym ciśnieniu – natychmiast zamarza lub paruje. Żeby utrzymać stabilne środowisko dla roślin czy ludzi, trzeba podnieść zarówno temperaturę, jak i ciśnienie.

Zespół z Politechniki Warszawskiej, kierowany przez prof. Roberta Olszewskiego, rozwija rozbudowane modele symulacyjne temperatury, ciśnienia i wilgotności dla 4002 obszarów na Marsie, tzw. wieloboków Goldberga. Każdy ma powierzchnię około 36 tys. km², mniej więcej jedną dziesiątą terytorium Polski. Dla każdego z tych „poligonów” naukowcy liczą zmiany parametrów atmosfery dzień po dniu, a czasem nawet godzina po godzinie.

Czy da się Marsa ogrzać?

W literaturze dotyczącej terraformacji pojawia się wiele koncepcji. Część z nich to czyste science fiction, jak przesunięcie Marsa na bliższą orbitę wokół Słońca. Inne są teoretycznie możliwe, ale ekstremalnie drogie, jak rozmieszczenie gigantycznych luster nad czapami polarnymi czy sprowadzenie bogatej w amoniak asteroidy, która po uderzeniu wzbogaci atmosferę w azot i energię cieplną.

Zespół z Warszawy rozważa bardziej realistyczny scenariusz – fabryki gazów hipercieplarnianych, takich jak freony (CFC). Gazy zakazane obecnie na Ziemi ze względu na niszczenie ozonu i silny efekt cieplarniany mogłyby na Marsie zadziałać „na naszą korzyść”. Ich stopniowe uwalnianie do atmosfery zwiększałoby absorpcję promieniowania podczerwonego, powodując długotrwałe ocieplenie planety.

• podniesienie temperatury atmosfery Marsa o kilka–kilkanaście stopni,
• stopienie części czap polarnych z suchego lodu i lodu wodnego,
• zagęszczenie atmosfery przez dodatkowy CO₂ i parę wodną,
• stworzenie warunków dla prostych organizmów prowadzących fotosyntezę.

Po uruchomieniu takiego procesu powstałoby sprzężenie zwrotne – cieplejsza atmosfera, więcej uwolnionej wody, więcej chmur i większa ilość CO₂ w gazie. Wtedy temperatury na powierzchni w niektórych miejscach mogłyby się ustabilizować powyżej 0°C przez znaczącą część marsjańskiego roku.

Gdzie na Marsie najpierw zrobi się cieplej?

Intuicyjnie wiele osób wskazałoby okolice równika jako pierwszy region, który nada się pod uprawy. Symulacje prowadzone na klastrze obliczeniowym CENAGIS pokazują jednak coś innego. Pierwszym obszarem, który liczbowo „dobrze reaguje” na dodanie gazów cieplarnianych, jest Hellas – olbrzymi krater na południowej półkuli, położony około 35° na południe od równika.

To połączenie kilku efektów. Po pierwsze, basen Hellas leży niżej, więc ciśnienie atmosferyczne jest tam wyższe. Po drugie, marsjańskie lato na południowej półkuli jest cieplejsze z powodu większej ekscentryczności orbity – w tym okresie Mars jest bliżej Słońca. Po trzecie, lokalne warunki rzeźby terenu i cyrkulacji powietrza sprzyjają kumulacji ciepła. Dlatego właśnie tam modele wskazują, że najłatwiej byłoby uzyskać warunki zbliżone do tych, których potrzebują pierwsze rośliny.

Jak zbieramy dane o temperaturze na Marsie?

Dzisiejsza wiedza o marsjańskiej temperaturze i klimacie to wynik dziesiątek misji. Około 90% najdokładniejszych danych pochodzi z misji amerykańskich NASA, uzupełnianych przez sondy europejskie, chińskie i rosyjskie. Otrzymujemy je z orbiterów, takich jak Mars Reconnaissance Orbiter czy Mars Odyssey, a także z lądowników i łazików.

Misje Viking, InSight, łaziki Opportunity, Curiosity i Perseverance mierzą temperaturę powietrza, gruntu oraz ciśnienie bezpośrednio na powierzchni. Dane z krateru Gale, gdzie pracuje Curiosity, są regularnie przetwarzane przez NASA i udostępniane do analiz meteorologicznych. Dają one obraz dobowego i sezonowego przebiegu temperatury w jednym, ale bardzo dokładnie monitorowanym punkcie.

• łaziki dostarczają pomiarów temperatury przy gruncie i kilku centymetrów nad nim,
• orbiter mierzy rozkład temperatury w górnych warstwach atmosfery,
• modele numeryczne łączą dane obserwacyjne w spójny obraz klimatu całej planety,
• misje takie jak MAVEN badają ucieczkę atmosfery i wpływ wiatru słonecznego.

Na tej podstawie powstają modele klimatyczne Marsa, podobne do ziemskich modeli pogodowych, tylko dostosowane do innej grawitacji, składu atmosfery i cyklu dobowego. Dzięki nim naukowcy są w stanie prognozować nie tylko to, jaka jest temperatura dziś, ale też jak zmieni się ona w scenariuszach terraformacji, zwiększonej ilości pyłu czy zmodyfikowanej zawartości CO₂.