Терраформинг Марса: скорее да, чем нет?

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 2 декабрь 2014

Джеймс Кастинг (James Kasting), кафедра землеведения, Университет штата Пенсильвания

Один из способов сделать планету пригодной для проживания людей – попытаться её терраформировать, то есть перепроектировать поверхность таким образом, чтобы её окружающая среда стала похожа на те условия проживания человека, которые мы имеем на нашей Земле.

Ближайший сосед, Венера, не представляется нам достойной кандидатурой для проведения терраформинга по следующим причинам: во-первых, сложно изменить горячую и плотную атмосферу этой планеты, и, во-вторых, на ней осталась лишь небольшая толика первоначального запаса водных ресурсов.

Марс, вторая ближайшая к Земле планета, более подходящая. Писатели, работающие в жанре научной фантастики, в течение многих лет заселяют Марс людьми или гуманоидными расами. Я вырос на романах Эдгара Райса Берроуза о Марсе и до сих пор помню, как представлял себя Джоном Картером, лучшим воином двух миров, владеющим холодным оружием, бороздящим пространство и сражающимся за сердце марсианской принцессы Деи Торис. Я также по-прежнему люблю фильм «Вспомнить всё» с Арнольдом Шварценеггером, в конце которого марсианский пейзаж подвергается терраформингу (около двух минут) с выделением кислорода из инопланетных турбидных генераторов, которые Арнольд возвращает к жизни.

В реальной жизни, однако, произвести терраформинг планеты не так просто, как это мы видим в кино. Превратить Марс в другую Землю было бы крайне сложно по многим причинам. Мы можем разбить их на три категории: климатические, наличие кислорода и другие факторы.           

Начнём с климата. Марс вращается вокруг Солнца на расстоянии, составляющем в среднем 1,52 астрономических единицы (а. е.); следовательно, он получает только 43% солнечного света от того количества, что получает Земля согласно закону обратных квадратов, который регулирует данное соотношение.

Чтобы обеспечить на поверхности Марса такой же температурный уровень, что и на поверхности Земли, нужно либо увеличить количество поступающего солнечного света, например, установить комплекс больших орбитальных зеркал, либо усилить имеющийся в настоящее время на планете ничтожно малый парниковый эффект.

Идея с зеркалами заманчива, и её уже предложил в своей книге «Красный Марс» ещё один фантаст – Ким Стэнли Робинсон. Но, если расположить зеркало на том же расстоянии в 1,52 а. е. от Солнца, рядом с Марсом, его поверхность должна быть больше, чем сам Марс, чтобы поддерживать необходимую освещённость. Установка такого зеркала, размером с планету, является чрезвычайно сложной задачей, попытки осуществления которой, мы, скорее всего, в ближайшие сто лет или когда-либо ещё предпринимать не будем.

Усиление парникового эффекта на Марсе также весьма проблематично. Парниковый эффект подразумевает поглощение и повторные выбросы исходящего инфракрасного излучения в атмосферу планеты. Двуокись углерода (CO₂) и водяной пар (H₂O) являются двумя основными веществами, создающими парниковый эффект на Земле. Вместе они увеличивают температуру поверхности Земли примерно на 33 ^oC и доводят до + 15 ^oC.

Для сравнения, парниковый эффект, создаваемый в настоящее время в атмосфере Марса, тонким слоем СО₂ составляет лишь ~ 6 °C, а среднее значение температуры поверхности планеты показывает -55 ^oC. Таким образом, чтобы сделать поверхность Марса такой же тёплой, как земная поверхность, нам необходимо повысить имеющийся на планете парниковый эффект на (приблизительно) 70 градусов.

Разные писатели предлагают свои механизмы для реализации этой идеи. В книге «Озеленение Марса», выпущенной в 1985 году, Джеймс Лавлок и Майкл Аллаби пришли к выводу, что можно согреть Марс, импортируя хлорфторуглероды (ХФУ) с Земли.

ХФУ, если вы помните, это соединения, подобные фреону, которые причастны к уничтожению озонового слоя в стратосфере Земли и которые также представляют собой идеальные для образования парникового эффекта вещества. Внедрение такого механизма, тем не менее, потребует проведения бесчисленных и продолжительных межпланетных полётов, потому что ХФУ расщепляются фотолитически на более мелкие молекулы.

Изготовление ХФУ непосредственно на Марсе может оказаться несколько более практичным и, скорее всего, позволит снизить затраты. Но, даже если предположить, что механизм действительно сработает – и можно создать богатую хлором атмосферу, которая затем ингибирует развитие озонового слоя, тем самым эффективно препятствуя созданию условий для длительного пребывания людей, – всё равно это не тот мир, в котором хотелось бы жить.

Другие сочинители полагают, что для терраформинга Марса CO₂ будет более подходящей субстанцией, создающей парниковый эффект. Климатические расчёты показывают, что среднюю температуру поверхности Марса можно поднять выше точки замерзания, добавив ~ 3 бар СО₂. (Для сравнения, поверхностное давление Земли составляет 1,013 бар, а поверхностное давление Марса составляет около 0,006 бар).

Увеличение до 15 ^oC потребует 5–6 бар СО₂. Где взять такое количество CO₂? Одна из идей заключается в мобилизации CO_{2 ,} содержащего лёд, который хранится в марсианских полярных шапках и в реголите (марсианском грунте). Но содержание СО2 в таких накопителях, вероятнее всего, составит лишь несколько сотен миллибар, в лучшем случае, так что даже если сразу использовать весь этот запас, поверхность останется холодной.

Мартин Фогг, британский учёный, который написал книгу о терраформинге Марса, предположил, что в глубоких недрах планеты может храниться гораздо большее количество СО₂ в виде карбонатных пород. Он также предложил, в некотором роде лукавя, что хороший способ высвободить эти запасы – разместить в глубинах планеты водородные бомбы на всей поверхности Марса, а затем взорвать их все сразу. Вот такое разрушение планеты, чтобы спасти её. Похоже, что это весьма плохая идея для тех из нас, кто заинтересован в изучении Марса, детализации его истории и установлении факта наличия жизни там когда-либо.

Ещё одной проблемой «тепличного» СО₂ является то, что парциальное давление СО_2, превышающее земное в ~ 30 раз, останавливает рефлекторное дыхание человека. Земное значение СО₂ составляет около 0,3 мбар, поэтому верхний предел парциального давления СО₂ для человека составляет ~ 0,01 бар, и это слишком мало, чтобы обеспечить значительный парниковый эффект.

Крис Маккей из НАСА Эймс предположил, что существует вероятность, в принципе, превратить Марс в планету растений, поскольку растения выдерживают гораздо более высокие уровни CO₂. Но хотим ли мы, на самом деле, идти на такие большие расходы для осуществления этой мечты? Мне кажется, что овощи, выращенные на Марсе, стоили бы крайне дорого, если продавать их на Земле. И терраформинг Марса просто в пользу выращивания растений опять же кажется нецелесообразным.

А как насчёт кислорода (O₂)? Если нагреть поверхность Марса, растает множество подземных льдов, тем самым обеспечив водоснабжение планеты, необходимое для выращивания растений. И растения, в свою очередь, начнут выделять O₂ в процессе фотосинтеза. Но заполнить атмосферу O₂ по-прежнему не так просто.

Большая часть O_2, производимого сегодня на Земле в процессе фотосинтеза, используется в обратных процессах дыхания и разложения. (Обратите внимание, что растения также, как и животные, дышат. Таким образом все сложные организмы производят энергию, необходимую для поддержания их метаболизма). О₂ присутствует в атмосфере Земли как следствие определённой утечки органического углерода в осадках, большая часть происходит в мелководье океанов, на континентальных шельфах.

Совершенно не очевидно, что на «подогретом» Марсе найдутся подобные места для длительного залегания органического углерода. Более того, временной интервал, необходимый для образования атмосферного О₂ земного типа, учитывая земные нормы удаления углерода, составляет около 2 миллионов лет. Таким образом, поскольку мы не в состоянии значительно ускорить производство O_2, необходимого для человека, чтобы дышать, такой процесс внедрения подобного механизма представляется нам невообразимо медленным.

А что прочие факторы? На самом деле многие из них стоит рассмотреть. Марс является небольшой планетой и не имеет собственного магнитного поля, как Земля, следовательно, он постоянно теряет свою атмосферу через её взаимодействие с солнечным ветром.

Создание своего магнитного поля опять же является непростой задачей, хотя предположительно можно блокировать солнечный ветер, построив экран размером с планету в точке Лагранжа L1. (Точки Лагранжа являются точками нейтральной гравитационной устойчивости. L1 находится между планетой и Солнцем). На Марсе также отсутствуют тектоника плит и вулканические процессы. На Земле эти процессы утилизируют СО₂ обратно в атмосферу при отдаче, после силикатного выветривания и отложения карбонатов. Если планета не является геологически активной, мы будем вынуждены утилизировать CO₂ механически, что опять же представляет собой очень затратный процесс.

Но самую серьёзную проблему представляет собой отсутствие атмосферного азота на Марсе. N₂ составляет большую часть атмосферы Земли, что исчисляется 78% от ее объёма. На Марсе присутствовали когда-то большие запасы N₂, что подтвердили исследования изотопов азота, но в течение долгого времени планета отдавала в космос большую часть своего N₂ под воздействием солнечного ветра и прочих процессов атмосферных потерь.  

Если призадуматься, N₂ здесь, на Земле, играет очень важную роль. Он распадается в организмах на биологически необходимый фиксированный азот, который является важным компонентом для белков и нуклеиновых кислот. N₂ также выступает в качестве буферного газа, который демпфирует активность пожаров. Если атмосфера слишком богата O₂, то пламя очень активно, потому что конвекция воздуха, что охлаждает пламя, также приносит O_2, который подпитывает его.

Добавка N₂ в смеси позволяет конвекции нести тепло, не образуя в процессе дополнительной энергии. NASA усвоило этот урок после трагедии, случившейся в 1967 году, когда во время пожара на стартовой площадке Аполлона 1 погибли три астронавта. До этого времени NASA в своих космических капсулах использовало чистый O₂, потому что низкое давление допускает, чтобы оболочка космического корабля была более мягкой и лёгкой. Но сразу после пожара на Аполлоне 1 NASA переключилось на использование воздуха, убедившись на собственном горьком опыте, что N₂ является незаменимым атмосферным компонентом.

Вернёмся обратно к Марсу: предположим, что есть вероятность пополнить содержание N₂ на Марсе, возвращая богатые азотом кометы или астероиды и заставляя их сталкиваться с Марсом. Но для этого нам нужны передовые технологии, которых в настоящее время пока не существует, вдобавок такой подход, скорее всего, уничтожит большую часть поверхности Марса, как в и случае с водородными бомбами Мартина Фогга. Я не вижу в этом ничего привлекательного для будущего Красной планеты.

Итак, смогут ли люди жить на Марсе, если так сложно произвести терраформинг? Опять же, фантастика даёт нам возможный ответ. В фильме «Вспомнить всё» люди жили в герметичных купольных городах, прежде чем были активированы турбидные генераторы. Остаётся вопрос, можно ли считать такой образ жизни действительно экологически рациональным, в первую очередь из-за большого потока ионизирующего излучения (галактических и солнечных космических лучей), попадающего на поверхность Марса?

На Земле взаимодействие её магнитного поля и относительно толстой атмосферы почти полностью блокирует это излучение. Людям, живущим в марсианских городах, возможно, потребуется проводить большую часть своего времени под землёй, чтобы избежать переоблучения. Тем не менее такой жизненный уклад кажется вполне реальным и может использоваться при проведении научных экспедиций, чтобы оставаться на Марсе в течение длительного периода времени для тщательного изучения его поверхности.

Собственно, я уверен, что люди будут жить на Марсе в не слишком отдалённом будущем. Я сам, вероятнее всего, не смогу засвидетельствовать этот факт, но мои внуки, первый из которых родился летом этого года, вполне смогут дожить до этого дня. На мой взгляд, наша первоочередная цель, к достижению которой мы должны стремиться – это необходимость работать над созданием научных колоний на поверхности Марса и по достоинству оценить опыт и знания, привнесённые оттуда.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Terraforming Mars: from CFCs to Total Recall
 журнал ROOM №2 декабрь 2014