¿Cuánto más probable es que una colonia en Marte reciba el impacto de un meteorito dañino que una estructura similar en la Tierra?

¡Esta es una pregunta interesante! ¡Respuesta parcial!

No sé la frecuencia de los meteoritos marcianos, pero para uno dado podemos estimar su velocidad terminal (si la alcanza) y energía cinética.

Si no alcanza la velocidad terminal, entonces irá mucho más rápido y tendrá mucha más energía cinética al cuadrado.

¡Un meteorito de hierro de 1 cm de radio tendrá una energía cinética terminal de 27 julios en la Tierra pero de 540 julios en Marte!

¡A 10 cm son 240 kilojulios y 5,4 megajulios!

Pero la mayoría de los meteoritos son pequeños.

Los más grandes son extremadamente infrecuentes.

Si recoge todo el polvo y la suciedad de un edificio de techo plano y lo tamiza con un imán potente, puede recoger restos de micrometeoritos que contienen hierro, y si arrastra muchos imanes potentes por el desierto, puede recoger una gran cantidad de trozos más grandes, pero no es probable que causen ningún daño a una colonia o que se noten en absoluto.

Su velocidad terminal será más rápida en Marte debido a la menor densidad del aire, la menor gravedad solo hace un poco para mitigar ese efecto.

De la velocidad terminal de Wikipedia :

dónde$m$,$A$y$C_D$son la masa, el área de la sección transversal y el coeficiente de arrastre del meteorito, y$\rho$es la densidad de la atmósfera cerca de la superficie.

Para el cálculo a continuación, he elegido una densidad de$\rho$de 7,5 g/cm^3 típico de un meteorito de hierro.

    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

De esta respuesta a ¿Quién descubrió “Egg Rock”? ¿El rover Curiosity o la gente?

...Sección recortada de la imagen de "Egg Rock" de redplanet.asu.edu/?p=21047 que muestra los puntos donde el láser ChemCam de Curiosity ha eliminado material.

Ver también (y referencias y respuestas en el mismo):

• ¿Alguna vez se han observado "meteoritos helados" poco después de aterrizar? ¿Hay fotos?
• ¿Por qué los meteoritos de hierro en Marte no se oxidan ni se oxidan? ¿Por qué son brillantes?

Script de Python para la trama:

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()

La respuesta de Uhoh cubre claramente el daño que un meteorito dado tendría al impactar.

Agregaré a ese enfoque la probabilidad de que un meteorito incluso golpee Marte o la Tierra.

Un año marciano es 1,6 veces más largo que un año terrestre (686,96 días frente a 365,25). En una primera aproximación, en promedio, es probable que un planeta sea golpeado por un meteorito en cualquier punto de su órbita (eso no es exactamente cierto y es por eso que tenemos lluvias de meteoritos anuales). En otras palabras, asumo aquí que la distribución de meteoritos proviene de una dirección uniforme en el sistema solar interior.

Además, el radio de Marte es de 3397 km en comparación con los 6378 km de la Tierra. Suponiendo que los planetas son esféricos, el plano de intercepción (piense en ello como un "objetivo") del meteorito que viaja en línea recta sería un disco cuyo radio es el radio del planeta. El área de ese disco es lo que importa aquí. Y el radio del área de la Tierra sobre el área de Marte es de aproximadamente 3.525 ($A=r^2\pi$).

Por lo tanto, Marte tiene unas 5,6 veces menos probabilidades de ser golpeado por un meteorito, pero si lo hace, el daño es muchísimo peor.

La pregunta del OP original

¿Podrían los meteoritos impedir la exploración de Marte?

se ha transformado en otra pregunta que fue respondida, aunque parcialmente, en cálculos energéticos y cálculos probabilísticos. Intentaré responder a la pregunta original.

Primero, ¿cómo puede un meteorito evitar la colonización de un planeta? Debe aceptar que cuando las personas asumen todos los riesgos de un viaje de más de 9 meses en el espacio y gastan $$$, no se debe a que se rompa una ventana/panel solar, ni siquiera a un golpe mortal directo en una instalación lo que les hace pensar dos veces. Como los aventureros del pasado, reconstruirán, enterrarán a sus muertos y seguirán adelante. Entonces, para evitar la colonización, debemos pensar en un evento catastrófico, uno que, por sus ramificaciones en el ecosistema establecido, puede exterminar a casi todos los seres vivos, como el meteorito que golpeó la Tierra hace 66 millones de años (en Chicxulub).

Ahora, por el bien de una estimación rápida y sucia, digamos que en 10,000 años la probabilidad de ser golpeado una vez es 10 ^-4 veces la probabilidad de ser golpeado una vez en 100 millones de años (sé que es matemática incorrecta, pero estoy en el lado seguro). Además, suponga que para Marte, la probabilidad de ser golpeado una vez en 100 millones de años es 1. Al menos para la Tierra, es mucho menor, según los registros geológicos.

El cráter de Chicxulub tiene un radio de 90 km. Probablemente todos los animales vivos en un radio de 2x90 km fueron asesinados por su energía cinética. Este es un círculo de ~100.000 km ² , o alrededor del 7% de la superficie de Marte (R=3400 km). Por lo tanto, si pones al azar una ciudad en Marte, la probabilidad de que dentro de 10.000 años sea borrada por un evento tipo Chicxulub es de 7 en un millón. En 100 millones de años, tu ciudad tiene el 93% de estar a salvo, aunque asumimos certeza por el evento catastrófico.

Como comentario crucial, no fue la energía cinética de Chicxulub la que exterminó el 75% de las formas de vida en la Tierra. Fueron las ramificaciones de su impacto en la atmósfera y el enfriamiento global que resultó de las cenizas que bloquean el sol. Por lo tanto, mi cálculo anterior no tiene sentido si no puedo predecir, lo cual no puedo, el impacto en la atmósfera de Marte de un gran impacto de meteorito. De hecho, mi cálculo se mantendría si Marte estuviera completamente desprovisto de atmósfera, ya que en este escenario es solo la energía cinética la que daña.

Por lo tanto, la respuesta: con el conocimiento actual, la probabilidad de que los meteoritos constituyan una preocupación para una colonización marciana es inexistente. Incluso teniendo en cuenta el hecho de que Marte está más cerca del cinturón de asteroides y su atmósfera no es protectora.