La gravetat de Mart és un fenomen natural, degut a la llei de la gravetat, o gravitació, per la qual totes les coses amb massa al voltant del planeta Mart en són conduïdes. És més feble que la gravetat de la Terra a causa de la massa més petita del planeta. L'acceleració gravitatòria mitjana a Mart és de 3,72076 ms−2 (aproximadament el 38% de la de la Terra) i varia. En general, la isostàsia controlada per la topografia impulsa les anomalies de gravetat a l'aire lliure de longitud d'ona curta. Al mateix temps, el flux convectiu i la força finita del mantell condueixen a anomalies de gravetat a l'aire lliure a escala planetària de longitud d'ona llarga a tot el planeta. La variació del gruix de l'escorça, les activitats magmàtiques i volcàniques, l'elevació de Moho induïda per impactes, la variació estacional dels casquets polars, la variació de la massa atmosfèrica i la variació de la porositat de l'escorça també podrien correlacionar-se amb les variacions laterals. Al llarg dels anys s'han produït models que consisteixen en un nombre creixent però limitat d'harmònics esfèrics. Els mapes produïts han inclòs l'anomalia de la gravetat a l'aire lliure, l'anomalia de la gravetat de Bouguer i el gruix de l'escorça. En algunes zones de Mart hi ha una correlació entre anomalies de gravetat i topografia. Donada la topografia coneguda, es pot inferir un camp de gravetat de més alta resolució. La deformació de la marea de Mart pel Sol o Fobos es pot mesurar per la seva gravetat. Això revela com de rígid és l'interior i mostra que el nucli és parcialment líquid. Per tant, l'estudi de la gravetat superficial de Mart pot aportar informació sobre diferents característiques i proporcionar informació beneficiosa per a futurs aterratges.
Mesura miniatura|Harmònic esfèric giratori, amb per a la vertical, i per a l'horitzontal. Per al marcià C20 i C30, varien amb el temps a causa de la variació estacional de la massa dels casquets polars a través del cicle anual de sublimació-condensació del diòxid de carboni. Per entendre la gravetat de Mart, sovint es mesuren la seva intensitat del camp gravitatori g i el seu potencial gravitatori U. Simplement, si se suposa que Mart és un cos perfectament esfèric estàtic de radi RM, sempre que només hi hagi un satèl·lit que giri al voltant de Mart en una òrbita circular i aquesta interacció gravitatòria sigui l'única força que actua en el sistema, l'equació seria
on G és la constant universal de gravitació (normalment presa com G = 6.674 × 10−11 m3 kg−1 s−2),"CODATA Value: Newtonian constant of gravitation". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology. June 2015. Retrieved 2017-12-14. "2014 CODATA recommended values" M és la massa de Mart (valor més actualitzat: 6,41693 × 1023 kg),Jacobson, R. A. (2008). Ephemerides of the Martian Satellites—MAR080. JPL IOM 343R–08–006. m és la massa del satèl·lit, r és la distància entre Mart i el satèl·lit i és la velocitat angular del satèl·lit, que també és equivalent a (T és el període d'òrbita del satèl·lit).
Per tant, , on RM és el radi de Mart. Amb la mesura adequada, r, T and RM són paràmetres que es poden obtenir des de la Terra
Tanmateix, com que Mart és un cos planetari genèric, no esfèric i influït per processos geològics complexos, amb més precisió, el potencial gravitatori es descriu amb funcions harmòniques esfèriques, seguint la convenció de la geodèsia; vegeu el model de geopotencial.
on són les coordenades esfèriques del punt de prova. és la longitud i és la latitud. i són coeficients de grau harmònics adimensionals i ordre . és el polinomi de Legendre de grau with i és el polinomi de Legendre associat amb . S'utilitzen per descriure solucions de l'equació de Laplace. és el radi mitjà del planeta. El coeficient de vegades s'escriu com . Com més baix sigui el grau i ordre , la longitud d'ona més llarga de l'anomalia que representa. Al seu torn, l'anomalia de la gravetat de longitud d'ona llarga està influenciada per les estructures geofísiques globals. Com més alt sigui el grau i ordre , la longitud d'ona més curta de l'anomalia que representa. Per als graus superiors a 50, s'ha demostrat que aquestes variacions tenen una alta correlació amb la topografia. La interpretació geofísica de les característiques de la superfície podria ajudar encara més a obtenir una imatge més completa del camp de gravetat marcià, tot i que es podrien produir resultats enganyosos. La tècnica més antiga per determinar la gravetat de Mart és mitjançant l'observació basada en la Terra. Més tard, amb l'arribada de les naus espacials no tripulades, es van desenvolupar models de gravetat posteriors a partir de dades de seguiment de ràdio.miniatura|Els científics van mesurar la pertorbació de diferents naus espacials mitjançant mètodes Doppler i de seguiment de la distància per desenvolupar diferents models de gravetat des de la primera arribada de la sonda espacial no tripulada Mariner 9 el 1971. (Crèdit: Estudi de visualització científica de la NASA)|300x300px
Observació basada en la Terra Abans de l'arribada de la nau espacial Mariner 9 i Viking a Mart, només es disposava d'una estimació de la constant gravitacional de Mart GM, és a dir, la constant universal de gravitació multiplicada per la massa de Mart, per deduir les propietats del camp de gravetat marcià. GM es podria obtenir mitjançant observacions dels moviments dels satèl·lits naturals de Mart (Fobos i Deimos) i sobrevols de naus espacials de Mart (Mariner 4 i Mariner 6).
Les observacions terrestres a llarg termini dels moviments de Fobos i Deimos proporcionen paràmetres físics com el semieix major, l'excentricitat, l'angle d'inclinació respecte al Pla de Laplace, etc., que permeten calcular la relació entre la massa solar i la massa de Mart, el moment d'inèrcia i el coeficient del potencial gravitatori de Mart, i donen estimacions inicials del camp de gravetat de Mart.
Deduït a partir de dades de seguiment de ràdio miniatura|Doppler de tres vies, amb transmissor de senyal i receptor separats|300x300px El seguiment precís de les naus espacials és de gran importància per a la modelització de la gravetat precisa, ja que els models de gravetat es desenvolupen a partir de l'observació de petites pertorbacions de les naus espacials, és a dir, una petita variació de velocitat i altitud. El seguiment es realitza bàsicament per les antenes de la Deep Space Network (DSN), amb Doppler unidireccional, bidireccional i tridireccional i el seguiment d'interval aplicat. El seguiment unidireccional significa que les dades es transmeten d'una manera al DSN des de la nau espacial, mentre que les dues vies i les tres vies impliquen la transmissió de senyals des de la Terra a la nau espacial (enllaç ascendent) i després es transmeten de manera coherent a la Terra (enllaç descendent). La diferència entre el seguiment bidireccional i tridireccional és que el primer té el mateix transmissor i receptor de senyal a la Terra, mentre que el segon té el transmissor i el receptor en diferents llocs de la Terra. L'ús d'aquests tres tipus de dades de seguiment millora la cobertura i la qualitat de les dades, ja que un podria omplir el buit de dades d'un altre.
El seguiment Doppler és una tècnica comuna en el seguiment de la nau espacial, utilitzant el mètode de velocitat radial, que implica la detecció de desplaçaments Doppler. A mesura que la nau espacial s'allunya de nosaltres al llarg de la línia de visió, hi hauria un desplaçament cap al vermell del senyal, mentre que al revés, hi hauria un desplaçament cap al blau del senyal. Aquesta tècnica també s'ha aplicat per a l'observació del moviment dels exoplanetes. Mentre que per al seguiment de la distància, es fa mitjançant la mesura del temps de propagació d'anada i tornada del senyal. La combinació del desplaçament Doppler i l'observació de la distància promou una major precisió de seguiment de la nau espacial.
Aleshores, les dades de seguiment es convertirien per desenvolupar models de gravetat global mitjançant l'equació harmònica esfèrica que es mostra a dalt. Tanmateix, una eliminació addicional dels efectes a causa de l'efecte de la marea terrestre, diversos efectes relativistes a causa del Sol, Júpiter i Saturn, forces no conservatives (per exemple, desaturacions de moment angular (AMD), arrossegament atmosfèric i pressió de radiació solar) s'ha de fer, en cas contrari, es produeixen errors considerables.
Història L'últim model de gravetat per a Mart és el Goddard Mars Model 3 (GMM-3), produït el 2016, amb solució d'harmònics esfèrics fins al grau i l'ordre 120. Aquest model es desenvolupa a partir de 16 anys de dades de seguiment de ràdio de la Mars Global Surveyor (MGS), Mars Odyssey i Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), així com el model de topografia MOLA i proporciona una resolució global de 115 km. Amb aquest model es van produir un mapa separat d'anomalies de gravetat a l'aire lliure, un mapa d'anomalies de la gravetat de Bouguer i un mapa del gruix de l'escorça. En comparació amb l'MRO110C i altres models anteriors, la millora important de l'estimació del camp de gravetat prové d'un modelatge més acurat de les forces no conservadores aplicades a la nau espacial.
Solucions gravitacionalsAutorsAnyGrau (m) i ordre (l) de la solució harmònica esfèrica [Resolució de superfície (km)]Font de dades –JP Gapcynski, RH Tolson and WH Michael Jr19776Dades de seguiment de les naus Mariner 9, Viking 1 i 2Geoide marciàG Balmino, B Moynot i N Vales198218 [¬600 km]Dades de seguiment de les naus Mariner 9, Viking 1 i 2GMM-1DE Smith, FJ Lerch, RS Nerem, MT Zuber, GB Patel, SK Fricke i FG Lemoine199350
[200–300 km]Dades de seguiment de les naus Mariner 9, Viking 1 i 2Mars50cAS Konopliv, WL Sjogren199550Dades de seguiment de les naus Mariner 9, Viking 1 i 2GMM-2BFG Lemoine, DE Smith, DD Rowlands, MT Zuber, GA Neumann, DS Chinn, i DE Pavlis200180Dades de seguiment de la Mars Global Surveyor (MGS) i dades de topografia derivades de MOLAGGM1041CFG Lemoine200190Dades de seguiment de la Mars Global Surveyor (MGS) i Mars Odyssey i dades de topografia derivades de MOLAMGS95JAS Konopliv, CF Yoder, EM Standish, DN Yuan, WL Sjogren200695 [~112 km]Dades de seguiment de la Mars Global Surveyor (MGS) i Mars Odyssey i dades de topografia derivades de MOLAMGGM08AJC Marty, G Balmino, J Duron, P Rosenblatt, S Le Maistre, A Rivoldini, V Dehant, T. Van Hoolst200995 [~112 km]Dades de seguiment de la Mars Global Surveyor (MGS) i Mars Odyssey i dades de topografia derivades de MOLAMRO110B2AS Konopliv, SW Asmar, WM Folkner, Ö Karatekin, DC Nunes, SE Smrekar, CF Yoder, MT Zuber2011110Dades de seguiment de la Mars Global Surveyor (MGS), Mars Odyssey i Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) i dades de topografia derivades de MOLAMGM2011C Hirt, SJ Claessens, M Kuhn, WE Featherstone2012[3 km (equator) – 125 km]Solució gravitacional de l'MRO110B2 i dades de topografia derivades de MOLAGMM-3A Genova, S Goossens, FG Lemoine, E Mazarico, GA Neumann, DE Smith, MT Zuber2016120 [115 km]Mars Global Surveyor (MGS), Mars Odyssey i Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) MGS (SPO-1, SPO-2, GCO, MAP) ODY (ODYT, ODYM) MRO (MROT, MROM)