A gravidade de Marte é um fenômeno natural, devido à lei da gravidade , ou gravitação, pela qual todas as coisas com massa ao redor do planeta Marte são trazidas para ele. É mais fraco do que a gravidade da Terra devido à menor massa do planeta. A aceleração gravitacional média em Marte é 3.72076 m/s2 (cerca de 38% da da Terra ) e varia lateralmente. Em geral, a isostasia controlada por topografia conduz as anomalias da gravidade do ar livre de comprimento de onda curto. Ao mesmo tempo, fluxo convectivo a força finita do manto leva a anomalias de gravidade de ar livre em escala planetária de longo comprimento de onda em todo o planeta. Variação na espessura da crosta, atividades magmáticas e vulcânicas, elevação de Moho induzida por impacto, variação sazonal das calotas polares, variação da massa atmosférica e variação da porosidade da crosta também podem se correlacionar com as variações laterais. Ao longo dos anos, modelos consistindo em um número crescente, mas limitado de harmônicos esféricos foram produzidos. Os mapas produzidos incluíram anomalia de gravidade ao ar livre , anomalia de gravidade Bouguer, e espessura da crosta. Em algumas áreas de Marte, há uma correlação entre anomalias de gravidade e topografia. Dada a topografia conhecida, o campo de gravidade de maior resolução pode ser inferido. A deformação de maré de Marte pelo Sol ou Fobos pode ser medida por sua gravidade. Isso revela como o interior é rígido e mostra que o núcleo é parcialmente líquido. O estudo da gravidade da superfície de Marte pode, portanto, fornecer informações sobre diferentes características e fornecer informações benéficas para futuros projetos de pouso.
Medição/Cálculos miniaturadaimagem|Harmônico esférico giratório, com = 0 a 4 para a vertical, e = 0 a 4 para a horizontal. Para o planeta Marte C20 e C30, há uma variação com o tempo por causa da variação sazonal da massa das calotas polares através do ciclo anual de sublimação-condensação do dióxido de carbono. Para entender a gravidade de Marte, a força do seu campo gravitacional g e potencial gravitacional U são frequentemente medidos. Simplesmente, se Marte for assumido como um corpo estático perfeitamente esférico de raio RM, desde que haja apenas um satélite girando em torno de Marte em uma órbita circular e tal interação gravitacional seja a única força atuando no sistema, a equação seria:
,
Onde G é a constante universal de gravitação (comumente considerada como G = 6.674 x 10−11 m3/ kg . s2). M é a massa de Marte (valor mais atualizado: 6.41693 x 1023 kg), e m é a massa do satélite r é a distância entre Marte e o satélite, e é a velocidade angular do satélite, que também é equivalente a (T é o período de órbita do satélite).
Portanto, , onde RM é o raio de Marte. Com a medição adequada, r, T e RM são parâmetros obtidos da Terra.
No entanto, como Marte é um corpo planetário não esférico genérico e influenciado por processos geológicos complexos, mais precisamente, o potencial gravitacional é descrito com funções harmônicas esféricas, seguindo a convenção em geodésia, ver o modelo geopotencial.
Onde são coordenadas esféricas do ponto de teste. é longitude e é latitude. e são coeficientes harmônicos adimensionais de grau e ordem . é o polinômio de grau de Legendre com e associado com . Eles são usados para descrever soluções da equação de Laplace. é o raio médio do planeta. O coeficiente às vezes é escrito como .
Quanto menor o grau e ordem , o comprimento de onda mais longo da anomalia que ele representa. Por sua vez, a anomalia da gravidade de comprimento de onda longo é influenciada por estruturas geofísicas globais. Quanto maior o grau e ordem , o comprimento de onda mais curto da anomalia que ele representa. Para graus acima de 50, foi demonstrado que essas variações possuem alta correlação com a topografia. interpretação geofísica das características da superfície pode ainda ajudar a derivar uma imagem mais completa do campo gravitacional marciano, embora resultados enganosos possam ser produzidos.
A técnica mais antiga para determinar a gravidade de Marte é por meio da observação baseada na Terra. Mais tarde, com a chegada da espaçonave não tripulada, os modelos gravimétricos subsequentes foram desenvolvidos a partir de dados de rastreamento de rádio.
miniaturadaimagem|300x300px|Os cientistas mediram a perturbação de diferentes espaçonaves por meio de Doppler e métodos de rastreamento de alcance para desenvolver diferentes modelos de gravidade desde a primeira chegada da sonda espacial não tripulada Mariner 9 em 1971. (Crédito: Estúdio de Visualização Científica da NASA)
Observações feitas da Terra Antes da chegada da nave espacial Mariner 9 e da órbita Viking em Marte, apenas uma estimativa da constante gravitacional GM de Marte, ou seja, a constante universal de gravitação vezes a massa de Marte, estava disponível para deduzir as propriedades do campo gravitacional marciano. GM pode ser obtido através de observações dos movimentos dos satélites naturais de Marte (Fobos e Deimos) e voos de espaçonaves de Marte (Mariner 4 e Mariner 6).
Observações de longo prazo baseadas na Terra dos movimentos de Fobos e Deimos fornecem parâmetros físicos, incluindo semi-eixo maior, excentricidade, ângulo de inclinação ao plano Laplaciano, entre outros que permitem o cálculo da razão entre a massa solar e a massa de Marte , momento de inércia e coeficiente do potencial gravitacional de Marte, e dar estimativas iniciais do campo gravitacional de Marte.
miniaturadaimagem|300x300px|Doppler de três vias, com transmissor e receptor de sinal separados
O rastreamento preciso da espaçonave é de primordial importância para o modelamento preciso da gravidade, pois os modelos gravitacionais são desenvolvidos a partir da observação de pequenas perturbações na espaçonave, ou seja, pequena variação na velocidade e altitude. O rastreamento é feito basicamente pelas antenas da Deep Space Network (DSN), com Doppler unidirecional, bidirecional e triplo e rastreamento de alcance aplicado. Rastreamento unidirecional significa que os dados são transmitidos de uma maneira para o DSN da espaçonave, enquanto bidirecional e trilateral envolvem a transmissão de sinais da Terra para a espaçonave (uplink) e, posteriormente, transportados coerentemente de volta para a Terra (downlink). A diferença entre o rastreamento bidirecional e triplo é que o primeiro tem o mesmo transmissor e receptor de sinal na Terra, enquanto o último tem o transmissor e o receptor em locais diferentes na Terra. O uso desses três tipos de dados de rastreamento aumenta a cobertura e a qualidade dos dados, já que um poderia preencher a lacuna de dados do outro.
O rastreamento Doppler é uma técnica comum no rastreamento da espaçonave, utilizando o método da velocidade radial, que envolve a detecção de desvios Doppler. Conforme a espaçonave se afasta de nós ao longo da linha de visão, haveria deslocamento para o vermelho do sinal, enquanto que, ao contrário, haveria deslocamento para o azul do sinal. Essa técnica também tem sido aplicada para a observação do movimento de exoplanetas. Para o rastreamento de alcance, é feito através da medição do tempo de propagação de ida e volta do sinal. A combinação de deslocamento Doppler e observação de alcance promove maior precisão de rastreamento da espaçonave.
Os dados de rastreamento seriam então convertidos para desenvolver modelos de gravidade global usando a equação harmônica esférica exibida acima. No entanto, a eliminação adicional dos efeitos devido ao efeito da maré sólida , vários efeitos relativísticos devido ao Sol, Júpiter e Saturno, forças não conservativas (por exemplo, momento angular (AMD), arrasto atmosférico e pressão de radiação solar ) devem ser feitos , caso contrário, resultam em erros consideráveis.
História O mais recente modelo gravitacional de Marte é o Goddard Mars Model 3 (GMM-3), produzido em 2016, com solução de harmônicas esféricas de grau e ordem 120. Este modelo é desenvolvido a partir de 16 anos de dados de rastreamento de rádio da Mars Global Surveyor (MGS), Mars Odyssey e Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), bem como o modelo de topografia MOLA e fornece uma resolução global de 115 km. Um mapa de anomalia gravitacional separado, mapa de anomalia gravitacional Bouguer e um mapa de espessura da crosta foram produzidos junto com este modelo. Em comparação com o MRO110C e outros modelos anteriores, a maior melhoria da estimativa do campo gravitacional vem de uma modelagem mais cuidadosa das forças não conservativas aplicadas à espaçonave.
Soluções de GravidadeAutoresAnoGrau (m) e ordem (l) da solução harmônica esférica [Resolução da superfície (km)]Fonte de dados–JP Gapcynski, RH Tolson and WH Michael Jr19776Dados de rastreamento da espaçonave Mariner 9, Viking 1 e 2Geoide MartienG Balmino, B Moynot and N Vales198218 [¬600 km]Dados de rastreamento da espaçonave Mariner 9, Viking 1 e 2GMM-1DE Smith, FJ Lerch, RS Nerem, MT Zuber, GB Patel, SK Fricke and FG Lemoine199350
[200–300 km]Dados de rastreamento da espaçonave Mariner 9, Viking 1 e 2Mars50cAS Konopliv, WL Sjogren199550Dados de rastreamento da espaçonave Mariner 9, Viking 1 e 2GMM-2BFG Lemoine, DE Smith, DD Rowlands, MT Zuber, GA Neumann, DS Chinn, and DE Pavlis200180Dados de rastreamento do Mars Global Surveyor (MGS) e dados de topografia derivados do MOLAGGM1041CFG Lemoine200190Dados de rastreamento de Mars Global Surveyor (MGS) e Mars Odyssey, e dados de topografia derivados de MOLAMGS95JAS Konopliv, CF Yoder, EM Standish, DN Yuan, WL Sjogren200695 [~112 km]Dados de rastreamento de Mars Global Surveyor (MGS) e Mars Odyssey, e dados de topografia derivados de MOLAMGGM08AJC Marty, G Balmino, J Duron, P Rosenblatt, S Le Maistre, A Rivoldini, V Dehant, T. Van Hoolst200995 [~112 km]Dados de rastreamento de Mars Global Surveyor (MGS) e Mars Odyssey, e dados de topografia derivados de MOLAMRO110B2AS Konopliv, SW Asmar, WM Folkner, Ö Karatekin, DC Nunes, SE Smrekar, CF Yoder, MT Zuber2011110Dados de rastreamento do Mars Global Surveyor (MGS), Mars Odyssey e Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) e dados de topografia derivados de MOLAMGM2011C Hirt, SJ Claessens, M Kuhn, WE Featherstone2012[3 km (equador) – 125 km]Solução de gravidade MRO110B2 e dados de topografia derivados de MOLAGMM-3A Genova, S Goossens, FG Lemoine, E Mazarico, GA Neumann, DE Smith, MT Zuber2016120 [115 km]Mars Global Surveyor (MGS), Mars Odyssey e Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)
MGS (SPO-1, SPO-2, GCO, MAP) ODY (ODYT, ODYM) MRO (MROT, MROM)
As técnicas de rastreamento da espaçonave e a interpretação geofísica das características da superfície podem afetar a resolução da força do campo gravitacional. A melhor técnica favorece soluções de harmônicos esféricos em graus e ordens superiores. A análise independente nos dados de rastreamento do Mariner 9 e da òrbita de Viking produziu um grau e ordem de solução harmônica esférica 6. Combinação adicional dos dois conjuntos de dados, junto com a correlação de anomalias com características vulcânicas (anomalia positiva) e depressão impressa profunda (anomalia negativa) assistida por dados de imagem permite um grau e ordem de 18 solução harmônica esférica produzida. O uso posterior do método de restrição espacial a priori, que levou a topografia em consideração na resolução da restrição da lei de potência Kaula, favoreceu o modelo de solução harmônica esférica de até grau 50 em resolução global ( Goddard Mars Model-1 ou GMM-1) seguida, os modelos subsequentes com maior completude e grau e pedido de até 120 para o GMM-3 mais recente.
miniaturadaimagem|300x300px|Mapa de gravidade ao ar livre de Marte produzido junto com a solução de gravidade GMM-3 (Vermelho: gravidade alta; Azul: gravidade baixa) (Crédito: Estúdio de Visualização Científica da NASA)