какая гравитация на марсе относительно земной
Гравитация на Марсе
Земля и Марс во многом похожи. Они практически сходятся по площади поверхности, обладают полярными шапками, осевым наклоном и сезонной изменчивостью. К тому же обе показывают, что прошли сквозь климатические перемены.
Но они и отличаются. И одним из важнейших факторов выступает гравитация. Поверьте, если вы собираетесь колонизировать чужой мир, то этот момент сыграет важную роль.
Эта анимация наглядно показывает, на какую высоту смог бы подпрыгнуть человек, находясь на Марсе
Сравнение гравитации на Марсе и Земле
Художественная интерпретация марсианского интерьера
Если длина марсианского дня почти сходится с земным (24 часа и 37 минут), то год охватывает целых 687 дней. Марсианская гравитация на 62% ниже земного показателя, то есть 100 кг там переходят в 38 кг.
На подобное отличие влияют масса, радиус и плотность. Несмотря на схожесть в площади поверхности, Марс охватывает лишь половину земного диаметра, 15% от объема и 11% массивности. А что с силой тяжести Марса?
Вычисление гравитации Марса
Для определения марсианской гравитации исследователи использовали теорию Ньютона: гравитация выступает пропорциональной массе. Мы сталкиваемся со сферическим телом, поэтому гравитация будет обратно пропорциональная квадрату радиуса. Ниже представлена карта гравитации Марса.
Гравитационная карта Марса
Марсианская масса – 6.4171 х 10 23 кг, что в 0.107 раза больше нашей. Средний радиус – 3389.5 км = 0.532 земного. Математически: 0.107/0.532² = 0.376.
Мы не знаем, что случится с человеком, если его окунуть в подобные условия на длительный срок. Но изучение воздействия микрогравитации показывает потерю мышечной массы, плотности костей, удары по органам и снижение зрения.
Прежде чем отправляться на планету, мы должны детально изучить ее гравитацию, иначе колония обречена на гибель.
Художественное видение марсианского астронавта
Уже есть проекты, которые занимаются этим моментом. Так Марс-1 разрабатывает программы по улучшению мускулатуры. Пребывание на МКС дольше 4-6 месяц показывает потерю мышечной массы на 15%.
Но марсианская займет намного больше времени на сам полет, где корабль атакуется космическими лучами, и пребывание на планете, где также нет защитного магнитного слоя. Экипажные миссии 2030-х гг. все ближе, поэтому мы должны поставить решение этих вопросов в приоритет. Теперь вы знаете, как выглядит гравитация на Марсе.
Сила тяжести на Марсе
После покорения Луны Марс стал главным объектом программ, нацеленных на достижение и освоение новых космических рубежей. Расположенный в «зоне жизни», где солнечной энергии достаточно для существования организмов земного типа, он — лучший из вариантов для колонизации. Но проблемы с гравитацией на Марсе и с отсутствием защиты от любых видов излучения заставляют откладывать воплощение уже готовых проектов.
Магнитное поле планеты
Одним из непреодолимых пока препятствий становится отсутствие на Марсе планетарной магнитосферы. Остаточные явления магнетизма присутствуют и колеблются, по данным российских исследовательских станций, от 60 гамм на экваторе до 120 — на полюсах, но это более чем в 500 раз меньше напряженности земного аналога.
Задача магнитного поля любой планеты — защитить ее от атак солнечного ветра и космической радиации, с чем фрагментарные проявления справиться не в состоянии. Это свидетельствует о том, что железное ядро планеты находится в неподвижном состоянии по отношению к коре.
Вращение земного ядра создает в расплавленной магме конвекционные токи, которые генерируют магнитную напряженность (по принципу динамо-машины). На красной планете этот механизм не работает, что сначала привело к исчезновению почти всей марсианской атмосферы, а сейчас проявляется в постоянном уровне радиации в 220 рад в день на поверхности.
Это на 10% больше нормы, допустимой для космонавтов на МКС, и для возможных колонистов грозит необратимыми последствиями:
Тем не менее существуют явные признаки, что когда-то магнитное поле Марса существовало и функционировало, но процесс этот прекратился в силу неизвестных обстоятельств около 3,2 млрд лет назад.
Почему Марс потерял магнитное поле
Из версий о причинах утраты магнитосферы наиболее убедительной считается гипотеза профессора Джафара Аркани-Хамеда из университета в Торонто. Проведя компьютерное моделирование, он доказал высокую вероятность того, что катастрофа связана со взаимодействием планет солнечной системы, в частности с влиянием Юпитера на пояс астероидов.
Под влиянием этого газового гиганта достаточно массивное тело, сопоставимое по размерам с малой планетой, было вытолкнуто со своей орбиты и, захваченное Марсом, сделалось его спутником с постоянно уменьшающимся радиусом обращения.
При снижении спутника до 50-75 тыс. км возникла конвекционная нестабильность марсианского ядра, что привело его в движение, создав эффект динамо. Возникло общепланетное магнитное поле, которое могло просуществовать до 400 млн лет, надежно прикрывая планету.
Однако сила притяжения Марса продолжала действовать на астероид, заставляя его снижаться до тех пор, пока на пределе Роша (2,44 радиуса планеты) он не разрушился и обломки его не рухнули на поверхность.
Астрономы находят этому подтверждение в наличии гигантского кратера в области Эллада (южное полушарие) и антиподной ей группе вулканов во главе с крупнейшей в солнечной системе горой Олимп (северное), поднимающейся над окружающей равниной на 26 км.
Утрата спутника повлекла за собой остановку вращения ядра и исчезновение планетарного поля. Остаточные магнитные явления неравномерно распределились по поверхности Марса и связаны, скорее всего, с особенностями геологических пород.
Расчет марсианской гравитации
Из-за слабого и неравномерного распределения магнетизма по поверхности планеты показатели его гравитации тоже крайне низки.
Сила тяжести на Марсе составляет 38% от земной, что легко рассчитывается по формуле Ньютона:
Соотношение марсианской массы (6,4171 х 10²³ кг) к массе Земли = 0,107, то есть около 10%. Тот же показатель для радиусов планет (3389,5 и 6371 соответственно) = 0,532.
g = 0,107 / 0,532² = 0,376.
То есть тело, имеющее на Земле в состоянии покоя вес 100 кг, на Марсе будет весить 38. А это заставляет вспомнить о негативном воздействии на организм человека слабой гравитации. Космонавты за 4-6 месяцев пребывания на МКС теряли до 15% мышечной массы при интенсивных нагрузочных упражнениях.
Разрешающая способность современных космических аппаратов позволяет достичь красной планеты только за 8 месяцев. Кроме того, длительное нахождение в подобных условиях пагубно воздействует на плотность костей, сохранность внутренних органов, проявляется в снижении зрения.
Почему на Марсе по другому
Тяготение Марса относительно Земли выражается в пропорциональной зависимости следующих характеристик:
Земля, имеющая превосходство по всем показателям, оказывает большую силу притяжения, которая ослабляется лишь по мере удаления планет друг от друга. Эти же параметры определяют и воздействие на предметы, находящиеся на поверхности каждой из них.
Несмотря на отдельные совпадения и частичное сходство, проявляющиеся в наличии полярных шапок, примерно одинаковом наклоне оси вращения, климатических изменениях, различия между планетами гораздо существенней.
Сравнение с гравитацией Земли
Имея высокие гравитационные показатели, обладая достаточно плотной и высокой атмосферой, защищенная магнитным полем Земля создает для жизни организмов всех уровней оптимальные условия. Тогда как на Марсе недостаточная сила тяготения не в состоянии удержать на поверхности ни одной жидкости. Вода существует там только в твердом или газообразном состоянии.
Исключение могут составлять бактерии и микроорганизмы, приспособляемость которых к самым экстремальным условиям доказана на практике. Они выживают в открытом космосе, при сверхнизких температурах и в радиоактивной воде атомных реакторов. Но для высших форм жизни условия Марса пока неприемлемы.
Давайте подумаем 1 — Можно ли «победить» низкую гравитацию Марса?
Итак, на Geektimes я встречал мнение, что низкая гравитация Марса это чуть ли не главная проблема почему колонизация Марса невозможна или приведет к большому количеству заболеваний, к вырождению и вымиранию колонии на Марсе.
Уменьшить гравитацию сложно, а вот можно ли ее увеличить?
1 Способ. Очень простой и древний
Вы не поверите, но «машину», чтобы «оказаться на Юпитере» придумали тысячу лет назад и выглядела она как-то так.
Да обычные рыцарские доспехи, которые весили иногда (особенно если предназначались для турниров) чуть ли не сколько же сколько сам рыцарь (до 70-80 кг). В них вы сможете почувствовать себя на планете, где гравитация раза в 2 больше.
По сути, для мышц и костей человека нет большой разницы между земной силой тяжести и доспехами или скафандром с дополнительным весом, ведь давить сверху будет с той же силой.
Например, скафандр миссии Аполлонов весил целиком около 100 кг., то есть космонавт/астронавт в таком скафандре на Марсе чувствовал почти как на Земле (до 70-80% земной силы тяжести). Естественно, внутри помещений колонисты не будут постоянно носить скафандры, однако они могут носить обычные жилет-утяжелители для тренировок:
и такие же на руки и ноги
Возможно, так же можно надевать специальные головные уборы для тренировки шеи. Разумеется, если придется переносить тяжелые грузы, такие утяжелители можно и нужно будет снять.
Обычно такие утяжелители используют песок в качестве грузом, но вместо песка можно использовать свинец (или еще более тяжелые металлы) и объем будет относительно небольшим. Литр свинца весил 11 кг., небольшой 20 литровый рюкзак забитый свинцом будет весить более 200 кг. Это будет более чем достаточно для создания «как бы Земной силы тяжести».
Кстати, подобные свинцовые костюмы-утяжелители или скафандры-утяжелители могут заодно служить личным средством защиты от радиации (хотя вероятнее большая часть жилых помещений будет подземным).
1. Инерция. Обычно тех кто тренируется с такими утяжелителями для рук и ног предупреждают об опасности резких движений, так как кости при большом весе могут не выдержать. К тому же, в случае неожиданной опасности колонисты будет сложно двигаться быстро, не снимая утяжелители. Это может быть опасным, когда речь будет о секундах. Кроме того, колонисты при таком утяжелении будут быстрее уставать при ходьбе или беге, просто из-за борьбы с инерцией.
2. Возможные проблемы с внутренними органами. Да, можно создать как бы «дополнительную силу тяжести» для мышц, костей и т.п., но вот как низкая гравитация будет действовать на внутренние органы не очень понятно. К сожалению, ученые хорошо знают как действует невесомость, но нет экспериментов при пониженной (но не нулевой) гравитации. По идее, внутри тела человека все равно есть внутреннее давление и гравитация не должна играть решающую роль, но вопрос остается открытым…
3. Этот способ не будет работать во время сна и открытым остается вопрос беременности и первых лет жизни детей.
2 Способ Центрифуга
На картинке ниже вы видите центрифугу для тренировок космонавтов.
В принципе, не сложно разработать подобную же систему для ночного отдыха Марсиан (разумеется в упрощенном варианте).
Почему для ночного?
Во-первых, именно во сне человек проводить треть своего времени, вполне возможно, что треть времени с Земной силой тяжестью + дополнительные утяжелители «днем» будет достаточным для профилактики всех проблем из-за низкой гравитации.
Во-вторых, именно во сне человеку требуется очень небольшое пространство (капсульные отели гарантируют), поэтому в небольшой центрифуге может находится достаточно много народу. К тому же, во время сна здоровому человеку (а космонавты/астронавты по умолчанию здоровые) обычно не требуется покидать постель, то есть разгонять и останавливать центрифугу можно только три раза в сутки.
В-третьих, одной центрифугой можно пользоваться в течении трех / четырех смен в земные сутки (в зависимости от длительности сна 8 или 6 часов). Так как скорее всего ритм жизни будет земной, не будет особой проблемы, если каждая «смена» колонистов будет спать в свое время.
В-четвертых, существует сила Кориолииса, которая вызывает неприятные ощущения если размеры центрифуги не очень велики, однако именно если неподвижно лежать во сне, скорее всего неприятные ощущения будет минимальными.
Так же в случае беременности (и первых месяцах жизни), мать и ребенок могут находится в подобных центрифугах более длительное время.
1. Требуется довольно много место для подобных аппаратов, учитывая, что из-за радиации скорее придется их размещать под землей. С другой стороны, вроде для колоний планируется использовать естественные пещеры, возможно на Марсе существуют огромные пещеры.
2. Несмотря на намного разреженную атмосферу, постоянная работа центрифуги потребует определенных затрат энергии. Да и просто ее создание потребует определенных ресурсов или поставок с Земли, которые возможно использовать для других целей.
3. Если центрифуга невелика, то сила Кориолииса даже у профессиональных космонавтов/астронавтов может вызывать неприятные ощущения (или придется ограничиваться лишь частичным увеличением гравитации). С другой стороны, человеческих организм хорошо адаптируется к морской болезни, возможно специально отобранные и неподвижно лежащие колонисты достаточно быстро привыкнут к болезни Кориолииса.
3 Способ «Метро»
Это способ скорее для более развитой колонии. Дело в том что в принципе центрифуга не единственный способ создать центробежную силу, можно представить, небольшие «детские» вагончики (так чтобы только поместились спящие колонисты, они могут быть всего 80-90 см в ширину и высоту), которые ходят по зацикленной подземной «трубе» с радиусом в пол-километра или более. Диаметр подобного тоннеля «метро» может быть всего около метра. Для экономии энергии можно откачать воздух, благо на Марсе это не так сложно.
В принципе, там будет создаваться центробежная сила как в центрифуге, но за счет большего радиуса сила Кориолииса будет практически не чувствоваться. В остальном, способ полностью аналогичен способу 2.
1. Возможные ресурсы и затраты колонии будут выше чем в способе 2, однако это может компенсироваться тем что не будет требоваться большого подземного помещения, плюс не будет проблемы с силой Кориолииса.
Сила притяжения на Марсе
Гравитация на Марсе значительно ниже, чем на Земле, если точнее, то на 62% ниже. Это означает, что марсианская гравитация составляет 38% от Земной. Человек массой 100 кг, на Марсе весил бы 38 кг.
Сила тяжести
Марс меньше Земли и это определяет силу тяжести на планете. Ньютон использовал закон всемирного тяготения чтобы описать как работает сила притяжения, однако он описал только часть явления. Эйнштейн заявил, что гравитация это просто искривление пространства-времени, которое создается массой объекта.
Сообщество ученых по квантовой физике предложило теоретическую частицу, названную “гравитон”, которая создает притяжение, так что у нас теперь есть современное понимание тяжести, но это явление все еще покрыто тайной и является препятствием на пути к созданию универсальной теории всех взаимодействий во Вселенной.
Негативные моменты низкой гравитации
Известно, что люди страдают от потери костной массы, при низкой гравитации, поэтому при освоении таких планет как Марс, нужно учитывать долгосрочное влияние низкой силы тяжести на организм и проводить научные исследования, касающиеся влияния низкой силы тяжести.
Преодоление последствий низкой гравитации может быть отправной точкой для освоения человеком других планет.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Магнитное поле Марса: загадка Красной планеты
Каждый из нас когда-либо задумывался о жизни вне Земли, однако не каждый знает о том, какую роль в жизнеспособности тела играет его магнитное поле. Гипотеза ученых о том, что жизнь на Марсе возможна, имеет веские основания. Какие для этого необходимы условия, и какую роль в жизнеобеспечении играет магнитное поле, читаем ниже.
Магнитное поле Марса
Магнитное поле представляет собой некую защитную оболочку, отклоняющую все негативные воздействия ветра, электрических зарядов Солнца или других планет. Такое защитное поле имеет не каждая планета, оно продуцируется внутренними тепловыми и динамическими процессами, происходящими центре ядра космического тела. Частицы расплавленного металла, находясь в движении, создают электроток, наличие которого на планете участвует в создании защитного слоя.
Магнитное поле Марса однозначно существует, оно распределено очень слабо и неравномерно. Это объясняется неподвижностью остывшего ядра относительно поверхности. На планете есть места, где проявление поля в несколько раз превышает силу воздействия на других участках четвертой планеты. Магнитометром Mars Global Surveyor было установлено наличие наиболее сильного магнитного поля на южных участках, в то время как на северной стороне оно прибором практически не было установлено.
Магнитное поле у Марса ранее было достаточно сильным, оно имеет остаточный характер, сохраняя так называемый палеомагнетизм. Этого поля недостаточно для защиты от излучений Солнца или воздействия ветров. Таким образом, незащищенная поверхность не оставляет возможности задерживаться ни воде, ни другим частицам.
На вопрос было ли магнитное поле у Марса, и есть ли оно сейчас, можно уверенно дать положительный ответ. Наличие небольшого поля на соседней планете говорит о том, что оно существовало и ранее, имея большую, нежели сегодня силу.
Почему Марс потерял магнитное поле
Есть теория, согласно которой еще 4 млрд. лет назад магнитное поле красной планеты было достаточно сильным. Оно было схоже с земным и стабильно распределялось на поверхности его коры.
Столкновение с неким космическим телом больших размеров, или, как утверждают некоторые исследователи, несколькими крупными астероидами, повлияло на внутренние динамические процессы ядра. Ядро перестало продуцировать электротоки, вследствие чего, поле Марса ослабло, его распределение стало неоднородным: оно стало усилено на одних участках, другие остаются незащищенными. В этих местах воздействие излучения Солнца в два с половиной раза сильнее, чем на Земле.
Насколько сильна гравитация на Марсе?
В силу слабого и неравномерно распределенного магнитного поля, гравитация на Марсе имеет столь же низкие параметры. Если быть точнее, сравнительно с земной силой притяжения, она на 62% слабее. Поэтому все субъекты, находящиеся здесь в разы теряют свою истинную массу.
Сила притяжения на Марсе зависит от нескольких параметров: массы, радиуса, а также плотности. Несмотря на то, что площадь Марса приближается к показателям площади Земли, существуют большие различия плотности и диаметров планет, масса Марса на 89% меньше земной.
Имея данные двух схожих планет, учеными была вычислена сила притяжения Марса, которая достаточно отличается от земной. Сила гравитации на Марсе так же ослаблена, как и магнитное поле. Низкая гравитация перестраивает работу живого существа. Поэтому длительное пребывание человека на Красной плане может негативным образом сказаться на здоровье. Если будет найден путь преодоления последствий слабого притяжения на здоровье человека, время освоения других планет стремительно приблизится.
Помимо силы тяготения, на самой планете существует величина – гравитационная постоянная, показывает силу тяготения между планетами. Она вычисляется относительно двух планет, Марса и Земли, Марса и Солнца отдельно с учетом расстояния между ними. Эта величина является основополагающей, так как от силы тяготения планет зависит и расстояние между ними.
Расчет марсианской гравитации
Чтобы найти силу гравитации на Марсе, нужно применить формулу:
G = m(земли) • m(Марса) /r2
Здесь – это гравитационная постоянная, r – это расстояние от центров Земли и Марса.
Подставив значения, получим
5.97 • 1024 • 0.63345 • 6.67 • 10-11 /3.488=3.4738849055214
Таким образом, значение марсианской гравитации равно 3.4738849055214 Н.
Почему на Марсе по-другому
Сила тяжести Марса относительно Земли зависит от размера планет, массы и расстояния между их центрами. Планета с большей массой оказывает наибольшую степень гравитационного притяжения. Таким образом, Земля, имея наибольшую массу, оказывает наибольшую силу притяжения относительно Марса. По мере увеличения расстояния между планетами, сила гравитации между ними уменьшается.
Гравитация Земли, имея высокие показатели, способна с большей силой, нежели на Марсе притягивать объекты. Таким образом, земная гравитация, по сравнению с марсианской, позволяет сохранять жизнедеятельность и жизнеспособность на Земле. В то время как на Марсе низкая сила тяготения не удерживает на поверхности планеты даже воду.
Сравнительный анализ характера силы притяжения на Марсе относительно силы тяготения Земли, позволяет ответить на вопрос, почему на Марсе нет такого магнитного поля, как на Земле.
Ученые заняты рассмотрением условий, при которых жизнь на четвертой от Солнца будет возможна. На данный момент исследований Красной планеты недостаточно, чтобы собрать данные жизни на Марсе, так как низкое магнитное поле и сила гравитации усложняют пребывание человека на планете, точнее подвергают его организм нежелательным изменениям, что вряд ли совместимо с жизнью.