Khí hậu Sao Hỏa

Lịch sử quan sát

Vào năm 1704, Giacomo Maraldi đã phát hiện ra rằng vùng băng ở quanh cực nam của Sao Hỏa có tâm không nằm trên trục quay của hành tinh này. Khi Sao Hỏa nằm ở vị trí xung đối vào năm 1719, Maraldi đã quan sát thấy cả hai vùng băng ở hai cực và sự biến đổi kích thước của các vùng băng này theo thời gian.
William Herschel là người đầu tiên tính toán ra mật độ thấp của khí quyển Sao Hỏa trong bài báo On the remarkable appearances at the polar regions on the planet Mars, the inclination of its axis, the position of its poles, and its spheroidal figure; with a few hints relating to its real diameter and atmosphere (tạm dịch Về vẻ ngoài của vùng cực Sao Hỏa, độ nghiêng trục quay, vị trí cực, mức độ hình cầu; với các gợi ý về đường kính thực của khí quyển), năm 1784 của ông. Khi Sao Hỏa dường như đi qua phía trước hai ngôi sao mờ mà không ảnh hưởng đến độ sáng của chúng, Herschel đã kết luận chính xác điều đó có nghĩa là có ít khí quyển xung quanh Sao Hỏa cản trở ánh sáng của chúng.
Việc phát hiện ra "những đám mây vàng" trên bề mặt của Sao Hỏa, vào năm 1809, bởi Honore Flaugergues, được coi là sự quan sát đầu tiên về các cơn bão bụi Sao Hỏa. Flaugergues cũng đã quan sát thấy sự thu nhỏ của vùng băng ở cực, vào năm 1813, trong mùa xuân ở Sao Hỏa. Sự suy đoán của ông rằng điều này có nghĩa là Sao Hỏa nóng hơn Trái Đất đã được chứng minh là không chính xác.

Khí hậu Sao Hỏa trong quá khứ

Có hai hệ thống xác định thời gian địa chất cho Sao Hỏa. Hệ thống thứ nhất dựa trên mật độ miệng hố va chạm, và được chia làm ba thời kỳ: Noachian, Hesperian, và Amazonian. Hệ thống còn lại sử dụng các đặc điểm khoáng vật học, cũng có ba thời kỳ: Phyllocian, Theikian, và Siderikian.
Những quan sát và mô phỏng gần đây đang cung cấp thông tin không chỉ về hiện trạng khí hậu trên Sao Hỏa mà còn về quá khứ của nó. Khí quyển Sao Hỏa từ lâu đã được giả thuyết Noachia cho rằng là giàu cacbon điôxít. Tuy nhiên, các quan sát gần đây về sự lắng đọng của khoáng vật đất sét trên Sao Hỏa và hiểu biết về các điều kiện hình thành đất sét đã cho thấy rằng có rất ít cacbonat có trong đất sét của thời đại đó. Sự hình thành đất sét trong môi trường giàu carbon đioxit luôn luôn đi kèm với sự hình thành cacbonat, mặc dù cacbonat sau này có thể được hòa tan bằng axit có trong núi lửa. Như vậy, trong quá khứ khí quyển Sao Hỏa có thể không phải là môi trường giàu cacbon đioxit.
Việc khám phá ra các khoáng chất được hình thành trong môi trường nước trên Sao Hỏa bao gồm hematit và jarosite, bởi xe tự hành Opportunity, và goethite, bởi xe tự hành Spirit, đã dẫn đến kết luận rằng các điều kiện khí hậu trong quá khứ đã cho phép nước chảy tự do trên Sao Hỏa. Hình thái học của một số hố va chạm trên Sao Hỏa cho thấy mặt đất bị ướt khi xảy ra va chạm. Các quan sát địa hình về tốc độ ăn mòn cảnh quan cũng như các mạng lưới thung lũng Sao Hỏa cũng gợi ý rằng Sao Hỏa ở thời kỳ Noachian, khoảng 4 tỷ năm trước, là ấm hơn và ẩm ướt hơn. Tuy nhiên, phân tích hóa học của các mẫu thiên thạch Sao Hỏa cho thấy nhiệt độ bề mặt của Sao Hỏa dường như thấp hơn 0 °C trong bốn tỷ năm qua.
Một số nhà khoa học cho rằng khối lượng lớn của núi lửa Tharsis đã có ảnh hưởng lớn đến khí hậu của Sao Hỏa. Sự phun trào các núi lửa sinh ra lượng khí lớn, chủ yếu là hơi nước và CO₂. Khí được phun ra từ các núi lửa có thể đủ nhiều để tạo nên bầu khí quyển Sao Hỏa trong quá khứ dày đặc hơn cả Trái Đất. Các núi lửa cũng có thể đã phun ra lượng nước đủ để bao phủ bề mặt Sao Hỏa trong một đại dương nước với độ sâu 120 m (390 ft). CO₂ là một chất khí hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của hành tinh này, bằng cách hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Vì vậy, núi lửa Tharsis, bằng cách thải CO₂, có thể làm cho Sao Hỏa giống Trái Đất hơn trong quá khứ. Sao Hỏa đã từng có bầu khí quyển dày và ấm hơn, và các đại dương hoặc hồ nước có thể đã xuất hiện. Tuy nhiên, rất khó để xây dựng một mô hình khí hậu toàn cầu cho Sao Hỏa trong đó có nhiệt độ trên 0 °C tại một thời điểm nào đó trong quá khứ, mặc dù có thể khó khăn chỉ đơn giản nằm ở các vấn đề trong việc hiệu chuẩn các tham số của mô hình.

Thời tiết

Nhiệt độ và sự lưu thông khí quyển của Sao Hỏa thay đổi năm này qua năm khác, tương tự như với bất kỳ hành tinh nào có bầu khí quyển. Sao Hỏa thiếu các đại dương, một nguồn tạo ra biến đổi khí hậu trong năm trên Trái Đất.
Vào ngày 29 tháng 9 năm 2008, tàu đổ bộ Phoenix đã chụp hình tuyết rơi từ những đám mây cách chỗ hạ cánh gần hố va chạm Heimdal 4,5 km. Lượng tuyết này đã bị bốc hơi trước khi chạm đất, một hiện tượng gọi là phiên trạng (virga).

Mây

Bão bụi trên Sao Hỏa có thể thổi hạt bụi nhỏ bay lơ lửng trong bầu khí quyển, và những đám mây có thể hình thành khi các chất ngưng tụ bám vào các hạt bụi này. Những đám mây này có thể hình thành rất cao, lên đến 100 km (62 dặm) trên hành tinh này. Những đám mây rất mờ nhạt và chỉ có thể nhìn thấy phản chiếu ánh nắng Mặt Trời trên nền tối của bầu trời đang chuyển về đêm. Về mặt này, chúng trông giống như các đám mây ở tầng trung lưu khí quyển Trái Đất, còn gọi là mây dạ quang, ở độ cao khoảng 80 km (50 dặm).

Gió

Bề mặt của Sao Hỏa có quán tính nhiệt rất thấp, có nghĩa là nó nóng nhanh chóng khi mặt trời chiếu sáng trên nó. Sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày điển hình, cách xa các vùng cực, khoảng 100 K. Trên Trái Đất, gió thường phát triển ở những nơi mà quán tính nhiệt thay đổi đột ngột, chẳng hạn như từ biển này sang đất khác. Không có biển trên Sao Hỏa, nhưng có những khu vực mà quán tính nhiệt của đất thay đổi, dẫn đến gió buổi sáng và buổi tối giống như làn gió biển trên Trái Đất.

Mây hình khuyết

Một đám mây hình khuyết lớn xuất hiện trong vùng cực Bắc của Sao Hỏa cùng thời gian trong mỗi năm của sao Hỏa và có cùng kích cỡ. Nó được tạo thành vào buổi sáng và tan rã vào buổi chiều của sao Hỏa. Đường kính ngoài của đám mây là khoảng 1.600 km (1.000 dặm), và lỗ bên trong hoặc trung tâm là 320 km (200 dặm) trên. Đám mây được cho là có nước đá, vì vậy nó có màu trắng, không có nhiều bão bụi phổ biến hơn.

Khí Metan

Mặc dù khí mê-tan là khí nhà kính trên Trái Đất, nhưng một lượng nhỏ đã được tuyên bố là có mặt trên Sao Hỏa sẽ có ít ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu của Sao Hỏa. Theo một nhóm tại Trung tâm Không gian Vũ trụ NASA Goddard năm 2003, lượng khí mê-tan (CH4) ở nồng độ vài phần tỷ (ppb) được báo cáo lần đầu tiên trong bầu khí quyển của Sao Hỏa.
Tháng 3 năm 2004, tàu vũ trụ Mars Express Orbiter và các quan sát mặt đất từ Kính viễn vọng Canada-Pháp-Hawaii cũng gợi ý về sự có mặt của mêtan trong khí quyển với nồng độ mol khoảng 10 nmol / mol. Tuy nhiên, sự phức tạp của những quan sát này đã gây ra cuộc thảo luận về độ tin cậy của các kết quả.

Vùng khí hậu

Các khu vực khí hậu trên cạn trước tiên được Wladimir Köppen xác định dựa trên sự phân bố của các nhóm thực vật. Phân loại khí hậu cũng dựa trên nhiệt độ, lượng mưa và phân chia dựa trên sự khác biệt về phân bố theo mùa của nhiệt độ và lượng mưa; và một nhóm riêng tồn tại cho khí hậu bất thường như ở độ cao lớn. Sao Hỏa không có thảm thực vật cũng như không mưa, vì vậy bất kỳ sự phân loại khí hậu nào chỉ có thể dựa trên nhiệt độ; việc sàng lọc lại hệ thống có thể dựa trên sự phân bố bụi, hơi nước, sự xuất hiện của tuyết. Các vùng khí hậu toàn cầu cũng có thể được xác định một cách dễ dàng đối với Sao Hỏa.

Nhiệm vụ hiện tại

Mars Odyssey năm 2001 hiện đang quay quanh Sao Hỏa và đo nhiệt độ khí quyển toàn cầu bằng công cụ TES. Tàu thăm dò Sao Hỏa hiện đang sử dụng các công cụ quan sát khí hậu thời tiết và khí hậu hàng ngày từ quỹ đạo. Một trong những công cụ của nó, máy ghi âm khí hậu của Sao Hỏa đặc biệt cho công tác quan sát khí hậu. MSL đã được đưa ra vào tháng 11 năm 2011 và đã hạ cánh trên Sao Hỏa vào ngày 6 tháng 8 năm 2012. Orbiters MAVEN, Mangalyaan và TGO hiện đang quay quanh Sao Hỏa và nghiên cứu khí quyển của nó.