Общие соображения - К вопросу о коррекции климата Марса

Прежде всего, каковы потребные условия?

Давление паров воды при температуре +37 OС составляет около 6300 Па [0.062 атм]. Значит, чтобы ходить без скафандров, нужно как минимум 6300 Па. Правда, это еще не учитывает потребностей дыхания.

Чтобы дышать, хорошо тренированному человеку необходимо парциальное давление кислорода во вдыхаемой смеси не менее примерно 40 миллиметров ртутного столба, или 5300 Па. Добавляя к этому давление водяного пара из легких [6300 Па], получаем, что общее давление атмосферы (равное давлению газа в легких) должно составить около 11600 Па, или примерно 1/9 земной атмосферы. Это - абсолютный минимум, при котором очень здоровый и тщательно подготовленный человек еще сможет жить и работать, вдыхая чистый кислород из маски. На Земле эти условия наблюдаются на высоте примерно 18 км.

Итак, если каким-либо образом поднять давление марсианского "воздуха" в 18 раз (от 1/150 до 1/9 атмосферы), то по Марсу можно будет разгуливать без скафандров. Более плотная атмосфера, кстати, попутно смягчит проблемы за номерами 3, 4 и 5.

Второй важный вопрос после "что?" - это "когда?". К какому числу и году должна быть представлена работа?

На бесконечности, очевидно, все получается само собой и бесплатно. Ведь примерно через 4 миллиарда лет Солнце вступит в стадию красного гиганта, его светимость резко возрастет, полярные льды на Марсе испарятся и создадут вполне достойную газовую оболочку. Без всяких усилий с нашей стороны. Только нам это уже будет без нужды.

Ну а когда оно еще будет актуально? Если предположить, что скорость технического прогресса человечества в следующие века сохранится на уровне, хотя бы сопоставимом с нынешним, то, видимо, речь идет лишь о нескольких сотнях лет. Просто потому, что цивилизация какого-нибудь 2500-го года от нас нынешних будет отличаться настолько, что бессмысленно пытаться понять ее нужды сегодня, равно как и решать ее проблемы современными "допотопными" средствами. Это будет все равно, что проектировать станцию "Мир" под сборку лопатами и кузнечными молотами.

Собственно, здесь становится очевидным другой способ, #2. А именно, если микроэлектроника и нанотехнология продолжат развиваться нынешними темпами, то через пару сотен лет люди смогут создавать себе искусственные тела, не боящиеся радиации, вакуума, не нуждающиеся в кислороде и вдобавок, возможно, и вовсе бессмертные. Носители этих тел легко смогут разгуливать без масок и скафандров хоть по Марсу, хоть по Плутону. Что, на мой взгляд, и будет наиболее быстрым и элегантным решением проблемы. Ведь нынешнее человеческое тело - предмет до чрезвычайности малоприспособленный к космическим путешествиям. Системы жизнеобеспечения и защиты, которые приходится таскать с ним в космос, на порядки усложняют любую межпланетную затею. Полет с сегодняшними телами дальше Луны - это как экспедиция медуз по Сахаре. Приспособление своего тела к условиям планеты, а не глобальное надругательство над ее климатом, выглядит куда более правильным и естественным путем развития.

Но если нам так уж хочется, вот прямо так уж неймется добиться решения именно для тел нынешних, да еще и в рамках знаний сегодняшних, то придется задуматься об изменении климата Марса. Причем рассматривать нужно только такие программы, которые имеют шанс уложиться в несколько сотен лет. Для определенности возьмем 300. Чтобы наши далекие предки, поставленные перед уже свершившимся фактом, могли лишь впаять нам посмертно срок "за разрушение уникальной экосферы Марса" :) Так что рассмотрим, какие же технические средства предоставляет природа для совершения этой "кражи со взломом".

Решение #3 - "разгон" атмосферы

Один, довольно общеизвестный, подход к проблеме заключается в следующем. Как известно, углекислый газ (CO2) обладает сильным парниковым эффектом. То есть, атмосфера, из него состоящая, согревает поверхность планеты, пропуская к ней солнечный свет, но блокируя уходящее тепловое излучение планеты.

Марсианский "воздух" весьма жидок, но на 96% состоит из углекислого газа. Этого уже хватает, чтобы сделать климат Марса на 4-5 градусов теплее по сравнению с ожидаемым излучательным равновесием. В полярных шапках Марса [в основном южной] хранится еще немало этого газа. Что получится, если, скажем, взорвать там пару сотен водородных бомб, испарить часть CO2 и, таким образом, временно повысить плотность атмосферы? В принципе, можно ожидать, что это приведет к усилению парникового эффекта и, как следствие, росту температуры. Которое, в свою очередь, вызовет новый виток испарения углекислого газа с полюсов, новый рост плотности и т. д. В итоге получаем плотную атмосферу, тепло и полное отсутствие полярных шапок. Благодать.

К сожалению, метод этот, при всей его заманчивости, вряд ли сработает. Причин тому две.

Во-первых, нет гарантии, что в полярных шапках содержится достаточно углекислого газа, чтобы обеспечить требуемое давление.

Ну а если правы оптимисты, и газа там все-таки достаточно, будет ли это работать? К сожалению, скорее всего, по-прежнему нет, и вот почему.

Взгляните на приведенную картинку. Желтым цветом на ней обозначена температура испарения углекислого газа из твердой фазы ("сухого льда") как функция давления газа CO2 над этим льдом.

Перекрестие голубых линий обозначает условия на южной полярной шапке [148 OК, 636 Па]. Как нетрудно заметить, это перекрестие лежит на желтой кривой. О чем это говорит? Правильно! О том, что марсианская атмосфера - буферная, и поддерживается исключительно равновесием между паром и льдом CO2 на южной полярной шапке.

Это равновесие должно обладать некоторым запасом устойчивости. То есть, когда в силу случайных причин в атмосфере вдруг становится больше углекислоты, ее конденсация усиливается из-за роста давления и возвращает атмосферу в равновесие. Усиление парникового эффекта и разогрев при этом оказываются недостаточными, чтобы скомпенсировать большую "смерзаемость" газа на шапке. Чтобы вывести эту систему из равновесия, надо выбросить в атмосферу много, очень много газа. Вопрос: сколько? Точного ответа я не знаю, но могу провести приблизительную оценку.

Начнем с того, что любая атмосфера согревает свою планету, независимо от газового состава. Сопутствующая этому характерная линейная зависимость температуры от высоты отчетливо прослеживается в тропосферах по крайней мере восьми планет в Солнечной Системе.

Для трех тел с близкими освещенностями и ожидаемыми температурами, а именно, Венеры, Земли и Марса, величина согревания, вызванного атмосферой, уже подсчитана умными людьми и составляет примерно:

Венера

500 K

Земля

35 K

Марс

5 K

Его график как функция массы атмосферы планеты на квадратный метр ее поверхности ("толщины одеяла") изображен справа. Как видно, зависимость эта (пунктирная кривая) весьма проста, и позволяет оценивать количественно согревающий эффект атмосферы произвольной плотности. Знаю, настоящие специалисты за такое выгнали бы меня из класса. Но для грубой прикидки этот метод, как кажется, все же должен работать.

Приняв "безатмосферную" равновесную температуру над южной полярной шапкой Марса за 143 OК, можно построить график этой температуры при различных давлениях атмосферы и посмотреть, где он пересечется с желтой кривой равновесия фаз углекислого газа. Справа от этой точки пересечения атмосфера будет "теплой" и самоподдерживающейся за счет парникового эффекта. Слева - сваливаться к нынешнему разреженному и холодному

Состоянию.

Как вы, наверное, догадались, эта кривая уже отложена темно-красным цветом на первом графике. Искомая точка пересечения, согласно используемому методу, приходится на параметры 40 кПа и 184 OК. Это давление примерно в 60 раз выше сегодняшнего марсианского. Потребная для его создания масса газа, как нетрудно подсчитать, составляет около 1.5*1018 кг. Это многократно превосходит даже самые оптимистичные оценки его запасов в полярных шапках. Так что, даже если из-за грубости используемого метода я и ошибся раза в три, на этой затее все равно придется поставить жирный крест.

В заключение отмечу, что все вышеприведенные рассуждения отнюдь не являются моим открытием, но есть грубая иллюстрация "на пальцах" фактов, довольно хорошо известных в кругах науки о Марсе. Расчеты, проведенные настоящими специалистами, показывают, что конденсация CO2 при повышении его давления будет происходить не столько даже на шапке, сколько в верхней атмосфере, в виде облаков. Поэтому возникшая было мысль покрасить шапку в черный цвет и таким образом подогреть ее к успеху, к сожалению, тоже не приведет.

Описанная картина согласуется с современными представлениями о геологической истории Марса.

В далеком прошлом планета была очень активна. Ее вулканы извергали много газов с сильным парниковым эффектом, в частности, таких, как сернистый газ SO2. Эти добавки, вероятно, и согревали планету настолько, чтобы поддерживать достойную углекислотную атмосферу и даже реки из жидкой воды, русла которых сохранились на Марсе.

Потом вулканизм иссяк. Сернистый газ, как вещество химически довольно активное, быстро связался с поверхностью, перейдя в минералы. Похолодало. Парникового эффекта от оставшегося углекислого газа перестало хватать для поддержания нужной температуры. Возможно, тут еще "помогло" разрушение CO2 Солнечным ультрафиолетом или легкое изменение параметров орбиты Марса. Возникла полярная шапка, давление упало еще ниже, процесс смерзания атмосферы покатился под горку, и вот мы видим сегодняшний Марс, холодный и безнадежно мертвый.

Да, Марс мертв, и куда более, чем нам того бы хотелось. Простым "толчком" его не разогреть. Если мы все еще не думаем отказываться от этой затеи, надо искать другие способы.

Решение #4 - преобразование атмосферы

Если невозможно создать подходящую атмосферу из СO2 То, может, удастся сделать это из других газов? Скажем, из приятного нам кислорода? Напрашивается мысль заселить Марс какими-нибудь лишайниками. Пусть они потребляют углекислый газ и делают из него кислород. По прошествии N лет получаем не планету - санаторий!

Но даже если забыть, что в полярных шапках, вероятно, слишком мало СO2 для такого дела, план этот все равно нереален. Да, некоторые лишайники способны перетерпеть пару недель в открытом космосе. Но одно дело - найти существо, которое не окочурится после месяца на Марсе, и совсем другое - добиться, чтобы оно там себя вольготно чувствовало, жило, размножалось, да еще и производило кислород нам на радость. Учитывая отсутствие воды и постоянную ультрафиолетовую дезинфекцию поверхности, это кажется невыполнимым. Просто потому, что все земные существа созданы из вещества, не переносящего таких воздействий. Как их друг с другом ни скрещивай.

Нет, какие-нибудь экстремальные вариации, наверное, по-прежнему возможны. Можно, скажем, заселить примитивными хемосинтетиками не поверхность, а недра Марса. Собственно, если на Марсе и есть своя жизнь, то это, пожалуй, единственный мыслимый способ ее существования. Но я, к сожалению, не настолько силен в биологии, чтобы рассуждать об этом даже поверхностно. Пусть выскажутся специалисты; я же отставлю этот путь как чересчур фантастический в рамках моих познаний.

И тем не менее, интересное решение на этом направлении есть. Ведь в чем основная проблема с теми же лишайниками? Да в том, что все живое на Марсе слишком быстро дохнет. Ну, так, а обязательно ли с этим бороться? Нужно ли, чтобы преобразователи атмосферы были биологически живыми? Вовсе нет. "Мертвые" автоматы вполне способны справляться с подобной работой.

Идея, собственно, не нова и не моя. Представим себе завод, непрерывно выполняющий всего лишь две функции: производить кислород из подножных минералов и... свои копии. А энергию брать от Солнца.

Если забросить на Марс десяток таких "заводов", то за какое-то время, размножаясь, они "заселят" всю планету, а потом наделают кислорода столько, что можно будет ходить по Марсу вообще без всяких масок. Затея выглядит хоть и сложной, но в принципе осуществимой. Единственное, что остается понять - а можно ли ее провернуть за предлагаемые 300 лет. Проведем оценки.

Пусть характерный размер "завода" будет A, его плотность - ?, а затраты энергии на производство одного килограмма "завода" - Q. Эти затраты, кстати, в основном состоят в выделении металла/кремния из минералов поверхности Марса и, следовательно, по порядку величины равны затратам на производство килограмма кислорода.

Обозначим КПД преобразования солнечной энергии в "заводы" за ?, усредненную за сутки мощность солнечного излучения на кв. метр за Ф, а радиус Марса за R.

Если принять, что площадь солнечных батарей "завода" по порядку величины - примерно A2, то характерное время, за которое один завод произведет свою копию составит, как нетрудно убедиться:

Это - время удвоения "популяции" заводов. Удваиваться им придется до тех пор, пока они либо не покроют собою весь Марс, либо не создадут нужную нам кислородную атмосферу, масса которой оценивается по формуле (1). Что случится раньше, определяется размером заводов.

Избавлю читателей от простых, но довольно нудных выкладок, и сразу выпишу ответ, показывающий, сколько времени займет эта работа:

Характерный вид этой функции представлен на рисунке. Важными ее свойствами являются монотонность [при разумных A] и выход на константу при малых значениях A. Как нетрудно показать, величина этой константы составляет:

Подставим в нее цифры:

Q = 2*107 Дж/кг [порядка теплоты сгорания алюминия]

h = 10% [оптимистичная оценка, вытекающая из КПД лучших солнечных батарей, помноженного на КПД высокотемпературного технологического процесса]

Ф = 100 Вт/м2 [усредненная за сутки и по широтам величина]

P = 11600 Па

G = 3.7 м/с2

Получаем ответ: 1.2*1010 секунд, или 400 лет. Это уже "тепло"!

Можно ли добиться более быстрого преобразования? Скорее всего, да. Во-первых, оценка очень груба. Во-вторых, значения Q и ? взяты довольно-таки "с потолка". Другая их комбинация, либо некоторое улучшение за счет технического прогресса вполне способны дать лучшие результаты.

Вывод: глобальное преобразование атмосферы Марса саморазмножающимися "заводами" по производству кислорода в принципе возможно и может быть завершено за несколько сотен лет. Необходимый для этого уровень технического развития не сильно опережает сегодняшний.

Похожие статьи




Общие соображения - К вопросу о коррекции климата Марса

Предыдущая | Следующая