La atmósfera de Marte es muy tenue, con una presión superficial de sólo 7 a 9 hPa frente a los 1013 hPa de la atmósfera terrestre, es decir, una centésima parte de la terrestre. La presión atmosférica varía considerablemente con la altitud, desde casi 9 hPa en las depresiones más profundas, hasta 1 hPa en la cima del Monte Olimpo. Está compuesta fundamentalmente de dióxido de carbono (95,3%) con un 2,7% de nitrógeno, un 1,6% de argón y trazas de oxígeno molecular (0,15%), monóxido de carbono (0,07%) y vapor de agua (0,03%).
La atmósfera es lo bastante densa como para albergar vientos y tormentas de polvo que, en ocasiones, pueden abarcar el planeta entero durante meses. Este viento es el responsable de la existencia de dunas de arena en los desiertos marcianos. La bóveda celeste marciana es de un suave color rosa salmón debido a la dispersión de la luz por los granos de polvo muy finos procedentes del suelo ferruginoso. A diferencia de la Tierra, ninguna capa de ozono bloquea la radiación ultravioleta. Hay nubes en mucha menor cantidad que en la Tierra y son de vapor de agua o de dióxido de carbono en latitudes polares.
La débil atmósfera marciana produce un efecto invernadero que aumenta la temperatura superficial unos 5 grados, mucho menos que lo observado en Venus y en la Tierra.
En las latitudes extremas, la condensación del dióxido de carbono forma nubes de cristales de nieve carbónica
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