Атмосфера Марса довольно разрежена — приповерхностное давление в атмосфере составляет величину в среднем около 6 мбар, что соответствует давлению в земной атмосфере на высоте около 35 км.
В отличие от Венеры, радиоволны в атмосфере Марса не испытывают сверхрефракции в нижней атмосфере. Поэтому радиорефракционные эксперименты позволяют изучать высотные зависимости температуры и давления почти до самой поверхности.
«Маринер-4» осуществил радиозаход над дневной атмосферой, а радиовыход над ночной. Построенные и результате обработки измерений температурные профили показали, что летняя ночь на Марсе в районе 60° с. ш. значительно теплее, чем зимний день в районе 50° ю. ш. Такое явление наблюдается и в земной атмосфере.
Приповерхностное давление соответственно для районов радиозахода и радиовыхода КА «Маринер-4» имело значение 4,5 и 8 мбар. Такая разница давлений могла быть получена только за счет разности высот в 7 км между двумя этими районами. Этот перепад высот был подтвержден результатами определения радиуса планеты в местах радиозахода и радиовыхода из измерений дифракции радиоволн. Перепад высот в 7 км не явился неожиданным, так как по данным наземной радиолокации перепады высот на Марсе превышают 10 км.
Использование при радиорефракционных измерениях одночастотного метода позволило получить информацию только о дневной ионосфере планеты. По данным этих измерений ионизованная область (ионосфера) располагается днем на высотах от 90 до 250 км над поверхностью Марса. Максимум ионизации находится на высоте 120 км (105 электронов в 1 см3). Это соответствовало температуре околомарсианской плазмы около 250 К на высотах 100–160 км.
Радиорефракционные измерения, выполненные в 1969 т. во время пролета АМС «Маринер-6 и -7» около Марса, позволили определить для дня и ночи высотные зависимости температуры и давления нижней атмосферы планеты, а также исследовать дневную ионосферу Марса. Эти эксперименты проводились на одной длине волны — 13 см.
В четырех районах планеты измеренное давление колебалось от 4,2 до 7,3 мбар, что соответствовало перепаду высот между этими участками поверхности до 4 км. Дневная приповерхностная температура атмосферы в точке радиозахода «Маринера-6» по радиорефракционным измерениям оказалась на 20° ниже температуры того же участка поверхности, определенной с помощью инфракрасного радиометра, который был установлен на этом же космическом аппарате. Подобное изменение температуры в приповерхностной атмосфере согласуется с расчетами.
Пролетные траектории позволяют выполнить только два сеанса радиорефракционных измерений — один при заходе КА за диск планеты и второй — при выходе КА из-за диска, и, соответственно, дают информацию об атмосфере только для двух районов планеты (районов радиозахода и радиовыхода КА). Вывод космических аппаратов на орбиту искусственных спутников планеты позволяет проводить радиорефракционные измерения многократно.
Такие многократные измерения характеристик атмосферы были выполнены радиорефракционным методом с помощью первого искусственного спутника Марса «Марс-2». По данным этих измерений самое высокое значение приповерхностного давления в одном из районов планеты равно 10 мбар.
Космические аппараты «Марс-2, -4 и -6» позволили исследовать ионосферу планеты при различной высоте Солнца. При проведении этих измерений было замечено, что интенсивность ионизации, высотная структура ионосферы и высота максимумов ионизации сильно зависят от высоты Солнца. Было отмечено, что ионосфера имеет два максимума ионизации, расположенных на разных высотах. Уменьшение высоты Солнца приводило к повышению высоты верхнего (главного) максимума ионизации и к уменьшению в нем концентрации электронов. При этом высота нижнего максимума ионизации практически оставалась постоянной (~ 110 км). Концентрация электронов в нижнем максимуме падала с уменьшением высоты Солнца.
В главном максимуме ионизации концентрация электронов днем составила 1,7 · 105 в 1 см3. Дневная ионосфера значительно протяженнее ночной и прослеживалась в диапазоне высот от 90 до 500 км.
Во время пролета вблизи Марса автоматических станций «Марс-4 и -6» были проведены радиорефракционные измерения на двух длинах волн (8 и 32 см) методом дисперсионного радиоинтерферометра, подобного использованному ранее на ИСЛ «Луна-14 и -19». В результате проведенных измерений было отмечено, что ночная ионосфера также, как и дневная, имеет два максимума ионизации. Однако ночью главный максимум располагается низко. Он совпадает с нижним дневным максимумом ионизации (на высоте 110 км) и имеет концентрацию 4,6 · 103 электронов в 1 см3. Выше главного максимума на высоте 190 км находится второй максимум ионизации с концентрацией электронов 2,2 · 103 в 1 см3.
В вечерней ионосфере главный максимум ионизации располагается на высотах 125–140 км с концентрацией (6–8) · 104 электронов в 1 см3. Советские ученые М. А. Колосов и Н. А. Савич сделали вывод о причине формирования ионосферы на этих высотах днем и ночью. Они предположили, что источником ионизации является галактическое излучение. На рис. 9 показаны высотные профили концентрации электронов по данным измерений АМС «Марс-4» ночной, вечерней и дневной ионосфер Марса. Измерения дневной ионосферы Марса, показанные на этом рисунке, были выполнены на АМС «Марс-2» радиорефракционным методом (на одной частоте).
С помощью радиорефракционных измерений, выполненных во время полета «Маринера-9» на орбите искусственного спутника Марса, 'было получено большое количество информации, позволившей построить высотные зависимости температуры и давления в нижней атмосфере над разными точками поверхности планеты. По данным этих измерений была построена карта давления у поверхности, которое в разных районах варьировалось от 1 до 9 мбар в области широт ±65°.
Если предположить, что локальное давление у поверхности определяется лишь высотой расположения данного района измерений, то соответствующая разность крайних значений давлений будет соответствовать разности высот 25,5 км. Если отбросить области с измеренными экстремальными давлениями, то перепад высот между остальными измеренными участками на поверхности Марса не превысит 13 км.
Рельеф Марса исследовался с помощью наземной радиолокации, радиорефракционных измерений и 'Методами инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии с космических аппаратов серии «Марс» и «Маринер». Совокупность полученных результатов позволила провести расчет локальных высот и построить по этим данным топографическую карту Марса. По данным этой карты максимальный перепад высот на Марсе составляет 31 км. На Марсе есть целый ряд горных вершин, которые значительно выше Эвереста — самой высокой точки Земли. В то же время на Марсе существуют области, лежащие значительно ниже среднего уровня поверхности планеты. К ним относится равнина Хеллас (Н = –4 км).
Рис. 9. Концентрация электронов в ионосфере Марса в зависимости от высоты (по данным измерений «Марс»): 1 — для ночной; 2, 3 — вечерней и 4 — дневной ионосфер
Радиорефракционные измерения показали, что фигура Марса весьма несимметрична. Так, южное полушарие в среднем выше северного на 3–4 км. Высоты в северном полушарии в основном отклоняются на 1 км в сторону понижения относительно среднего радиуса планеты. Причем наибольшие впадины — до 3 км, отмечаются на широтах 60–65°. В южном полушарии превышение большинства высот относительно среднего радиуса составляет 3–4 км, а в приполярной области это превышение уменьшается до 2–3 км.
По данным радиорефракционных измерений, а также по результатам определений радиуса планеты, используя дифракцию радиоволн, были определены размеры планеты, при представлении ее трехосным эллипсоидом.[5] Большая и малая полуоси, располагающиеся в экваториальной плоскости планеты, согласно этим данным равны соответственно 3400,12 и 3394,19 км, а полярный радиус составляет 3375,45 км.
Высотные зависимости температуры, полученные в результате обработки радиорефракционных измерений, проведенных на АМС «Маринер-9», показали, что для исследованных районов усредненная величина изменения температуры с высотой в нижней атмосфере колеблется от 0 до 3,8 К/км, что значительно ниже адиабатического (5 К/км). Этот факт свидетельствует об интенсивных динамических процессах в атмосфере и хорошо согласуется с наличием на Марсе сильных ветров. Следует отметить, что величина этого параметра, определенного в разных районах планеты, не коррелируется ни с широтой, ни с местным временем.
По данным радиорефракционных измерений температура атмосферы у поверхности (в измеренных точках) в области широт ±80° колеблется днем от 150 до 280 К, а ночью от 140 до 200 К. Значение локальной температуры зависит от высоты данного участка, широты, времени суток и сезона.
