Насколько более вероятно, что колония на Марсе получит разрушительный удар метеорита, чем аналогичная структура на Земле?

Это интересный вопрос! Частичный ответ!

Я не знаю о частоте марсианских метеоритов, но для данного можно оценить его конечную скорость (если он достигнет ее) и кинетическую энергию.

Если он не достигнет конечной скорости, то будет двигаться намного быстрее и иметь чертовски большую квадратную кинетическую энергию.

Железный метеорит радиусом 1 см будет иметь конечную кинетическую энергию 27 Дж на Земле и 540 Дж на Марсе!

При росте 10 см это 240 кДж и 5,4 мегаДжоуля!

Но большинство метеоритов маленькие.

Крупные встречаются крайне редко.

Если собрать всю пыль и грязь с дома с плоской крышей и просеять их сильным магнитом, то можно собрать железосодержащие микрометеоритные обломки, а если таскать по пустыне много мощных магнитов, то можно собрать много более крупные биты, но они вряд ли нанесут какой-либо ущерб колонии или вообще будут заметны на самом деле.

Их конечная скорость будет выше на Марсе из-за более низкой плотности воздуха, а более низкая гравитация лишь немного смягчает этот эффект.

Из конечной скорости Википедии :

где$m$,$A$и$C_D$- масса, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления метеорита, а$\rho$- плотность атмосферы у поверхности.

Для расчета ниже я выбрал плотность$\rho$7,5 г/см^3 типично для железного метеорита.

    r (cm)            0.01       0.10        1.00       10.00   
------------        ---------  ---------   ---------   ---------
vt_earth  (m/s)      3.88        12.29       38.85      122.85 
vt_mars   (m/s)     19.29        60.99      192.87      609.92 
KE_earth   (J)       2.37e-07     2.37e-03    2.37e+01    2.37e+05 
KE_mars    (J)       5.84e-06     5.84e-02    5.84e+02    5.84e+06

Из этого ответа на вопрос Кто открыл «Яичный камень»? Марсоход Curiosity или люди?

... Обрезанный фрагмент изображения «Яичной скалы» с сайта redplanet.asu.edu/?p=21047 , показывающий места, где лазер ChemCam Curiosity удалил материал.

См. Также (и ссылки и ответы в них):

• Наблюдали ли когда-нибудь «морозные метеориты» вскоре после приземления? Есть фото?
• Почему железные метеориты на Марсе не ржавеют и не окисляются? Почему они блестят?

Скрипт Python для сюжета:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def vt(r, g, rho_m, rho_a):
Cd = 1.
A = np.pi * r**2
m = rho_m * (4/3) * np.pi * r**3
v_terminal = np.sqrt(2 * m * g / (rho_a * A * Cd))
KE = 0.5 * m * v_terminal**2
return v_terminal, KE

np.set_printoptions(precision=2, suppress=False)
r = np.logspace(-4, -1, 4) # meters
r_cm = 100 * r

rho_meteor = 7500 # kg/m^3

vt_earth, KE_earth = vt(r=r, g=9.81, rho_m=rho_meteor, rho_a=1.3)
vt_mars, KE_mars  = vt(r=r, g=3.72, rho_m=rho_meteor, rho_a=0.02)

print('    r (cm):           ', r_cm)
print('    vt_earth (m/s):   ', vt_earth)
print('    vt_mars (m/s):    ', vt_mars)
print('    KE_earth (J):     ', KE_earth)
print('    KE_mars (J):      ', KE_mars)

fig, axes = plt.subplots(2, 1)
ax1, ax2 = axes
fs = 12
ax1.plot(r_cm, vt_earth, '--g')
ax1.plot(r_cm, vt_mars, '-r')
ax2.plot(r_cm, KE_earth, '--g')
ax2.plot(r_cm, KE_mars, '-r')
ax2.set_xlabel('meteorite radius (cm)', fontsize=fs)
ax1.set_ylabel('terminal velocity (m/s)', fontsize=fs)
ax2.set_ylabel('terminal kinetic energy (J)', fontsize=fs)
for ax in axes:
ax.set_xscale('log')
ax.set_yscale('log')
plt.suptitle('meteorite CD=1.0, density = 7.5 g/cm^3')
plt.show()

Ответ Ухо четко описывает ущерб, который данный метеорит нанесет при ударе.

Я добавлю к этому подходу вероятность того, что метеорит даже упадет на Марс или Землю.

Марсианский год в 1,6 раза длиннее земного (686,96 дня против 365,25). В первом приближении планета в среднем с такой же вероятностью может столкнуться с метеоритом в любой точке своей орбиты (это не совсем так, и поэтому у нас есть ежегодные метеоритные дожди). Другими словами, я предполагаю, что метеориты распределяются с одного и того же направления во внутренней части Солнечной системы.

При этом радиус Марса составляет 3397 км против 6378 км у Земли. Предполагая, что планеты имеют сферическую форму, плоскость перехвата (думайте об этом как о «мишени») метеорита, движущегося по прямой линии, будет диском, радиус которого равен радиусу планеты. Здесь важна площадь этого диска. А радиоплощадь Земли над площадью Марса составляет около 3,525 ($A=r^2\pi$).

Таким образом, вероятность удара метеорита о Марс примерно в 5,6 раза меньше , но если это произойдет, ущерб будет намного больше.

Оригинальный вопрос ОП

Могут ли метеориты помешать исследованию Марса?

превратился в другой вопрос, на который, хотя и частично, ответили энергетические расчеты и вероятностные расчеты. Я постараюсь ответить на исходный вопрос.

Во-первых, как метеорит может предотвратить колонизацию планеты? Вы должны признать, что когда люди берут на себя все риски 9-месячного путешествия в космос и тратят $$$, это происходит не из-за разбитого окна/солнечной панели или даже прямого смертельного удара по установке, которые заставляют их задуматься. дважды. Как и прошлые авантюристы, они восстановятся, похоронят своих мертвецов и двинутся дальше. Итак, чтобы предотвратить колонизацию, мы должны думать о катастрофическом событии, которое из-за его разветвлений в устоявшейся экосистеме может истребить почти все живое, как метеорит, упавший на Землю 66 миллионов лет назад (в Чиксулубе).

Теперь, ради быстрой и грязной оценки, предположим, что за 10 000 лет вероятность получить удар один раз ^в 10-4 раза больше вероятности получить удар один раз за 100 миллионов лет (я знаю, что это неправильная математика, но я на безопасной стороне). Кроме того, предположим, что для Марса вероятность удара раз в 100 миллионов лет равна 1. По крайней мере, для Земли, согласно геологическим записям, она намного меньше.

Кратер Чиксулуб имеет радиус 90 км. Вероятно, любые живые существа в радиусе 2х90 км были убиты его кинетической энергией. Это окружность ~100 000 км ² , или около 7% поверхности Марса (R=3400 км). Следовательно, если вы случайным образом возьмете город на Марсе, вероятность того, что через 10 000 лет он будет стерт с лица земли в результате события, подобного Чиксулубу, составляет 7 на миллион. Через 100 миллионов лет ваш город будет спасен на 93%, хотя мы допускаем уверенность в катастрофическом событии.

Важно отметить, что не кинетическая энергия Чиксулуба уничтожила 75% форм жизни на Земле. Это были последствия его воздействия на атмосферу и глобального похолодания, вызванного пеплом, блокирующим Солнце. Следовательно, мои расчеты выше бессмысленны, если я не могу предсказать — а я не могу — воздействие на атмосферу Марса падения большого метеорита. Фактически, мой расчет был бы верен, если бы Марс был полностью лишен атмосферы, поскольку в этом сценарии вредит только кинетическая энергия.

Следовательно, ответ: при нынешних знаниях вероятность того, что метеориты представляют опасность для марсианской колонизации, отсутствует. Даже с учетом того, что Марс находится ближе к поясу астероидов и его атмосфера не является защитной.