До сих пор в этой книге мы обсуждали перспективы скорого разведывания и заселения Марса. Теперь мы обратимся к заключительной задаче, которую Красная планета ставит перед человечеством, – терраформированию [46, 47]. Можно ли изменить Марс, чтобы сделать его полностью пригодным для жизни?

На первый взгляд идея кажется совершенно нереальной, просто научной фантастикой. Но еще не так давно к области научной фантастики относили полет человека на Луну. Сегодня лунные экспедиции стали предметом изучения для историков, а пилотируемые исследования Марса – областью работы инженеров. Многим кажется, что возможность значительно изменить температуру и атмосферу Красной планеты для создания более «землеподобных» условий – то есть «терраформировать» Марс – или чистой воды фантазия, или в лучшем случае задача для далекого будущего. Однако, в отличие от некоторых других смелых идей – путешествий со скоростью выше скорости света или, скажем, нанотехнологий, – у терраформирования есть история длиной примерно в четыре миллиарда лет.

Вся история жизни на Земле и есть пример терраформирования – поэтому наша красивая голубая планета стала именно такой, как сейчас. Когда Земля сформировалась, в ее атмосфере не было кислорода, только углекислый газ и азот, а грунт был каменистым и безжизненным. Нам повезло, что Солнце тогда давало примерно на 70 % меньше света, чем сейчас, в противном случае толстый слой двуокиси углерода в атмосфере создал бы парниковый эффект, который превратил бы нашу планету в подобие адски разогретой Венеры. Но, к счастью, фотосинтезирующие организмы эволюционировали так, что преобразовали углекислый газ в атмосфере Земли в кислород, в процессе полностью изменив химию поверхности планеты. В результате этой деятельности не только удалось избежать парникового эффекта, но и началась эволюция аэробных организмов, то есть таких, которые используют кислород для дыхания. Эти животные и растения продолжали изменять Землю еще больше, колонизируя сушу, создавая почву и резко изменяя глобальный климат. Жизнь эгоистична, поэтому не удивительно, что все изменения, которые она произвела с Землей, способствовали расширению биосферы и появлению все новых возможностей сделать окружающую среду еще комфортнее.

Люди практикуют это искусство совсем недавно по сравнению с остальными живыми существами. Начиная с самых ранних наших цивилизаций, мы использовали ирригацию, высаживали сельскохозяйственные культуры, пропалывали их, приручали животных и защищали их стада, чтобы получить от родной планеты как можно больше. Поступая таким образом, мы расширили биосферу для человеческой популяции, в результате чего возросла наша численность и вместе с тем способность изменять окружающую среду, чтобы поддержать продолжение экспоненциального роста. В результате мы буквально переделали Землю в такое место, где могут жить миллиарды людей, значительная часть которых освобождена от необходимости трудиться ежедневно ради выживания. И теперь мы можем смотреть в ночное небо и искать новые миры.

Некоторые люди считают идею терраформирования Марса еретической – дескать, человечество играет в Бога. Но другие видят в таких достижениях самое глубокое доказательство божественной природы человеческого духа – способность возвращать мертвый мир к жизни. Лично мне эта точка зрения ближе. Но я бы пошел дальше. Я бы сказал, что отказ терраформировать Марс означает отказ от человеческой природы и от нашей ответственности как членов сообщества самой жизни . Сегодня биосфера готова расширить свое влияние: охватить целый новый мир. Люди с их интеллектом и технологиями – уникальный инструмент, с помощью которого она может завоевать новую землю, первую среди многих. Бесчисленное множество существ жило и умирало, чтобы превратить наш мир в подходящее для людей место. Теперь наша очередь внести свой вклад в это дело.

Так давайте поставим вопрос еще раз: можно ли преобразовать Марс, чтобы сделать его полностью пригодным для жизни? Рассмотрим эту проблему. Несмотря на то что сегодня Марс – холодная, сухая и, вероятно, безжизненная планета, там есть все составляющие, необходимые для поддержания жизни: вода, углерод, кислород (в виде диоксида углерода) и азот. Физические свойства Марса, его сила тяжести, скорость вращения, наклон оси вращения и расстояние от Солнца достаточно близки к аналогичным показателям Земли, и это нам подходит. В одном Марс серьезно недотягивает: там не такая уж мощная атмосфера.

Атмосферное давление Земли на уровне моря составляет 14,7 фунта на квадратный дюйм, или приблизительно 1 бар. (Бар – единица измерения давления. Бар и миллибар, одна тысячная доля бара, обычно используются в метеорологии, я тоже остановлюсь на этих единицах при обсуждении терраформирования.) Давление в углекислотной атмосфере Марса составляет около 1 % атмосферного давления на Земле на уровне моря, оно колеблется от 6 до 10 миллибар (мбар). Однако мы знаем наверняка, что атмосфера Марса когда-то была гораздо плотнее, чем сейчас. Каналы, змеящиеся по поверхности Марса, служат доказательством, что когда-то по планете текла жидкая вода, а жидкая вода может существовать только при определенном диапазоне температур и давлений. На уровне моря на Земле этот температурный диапазон составляет от О °С – точка замерзания – до 100 °C – точка кипения. Чтобы вода могла течь по поверхности Марса, атмосферное давление и температура должны быть выше, чем сейчас.

Хотя атмосфера Марса в настоящее время весьма тонкая, большинство исследователей считает, что на планете есть достаточные запасы углекислого газа, чтобы уплотнить атмосферу. Часть двуокиси углерода существует в замороженном виде как сухой лед, составляющий значительную часть южной полярной шапки. Дополнительные запасы заключены в реголите, рыхлом материале, покрывающем поверхность планеты. (Реголит – это астрогеофизический термин для рыхлого грунта, применимый к любому планетарному телу. Почва – это земной реголит.) Высвобождение всех этих запасов углекислого газа значительно увеличит плотность атмосферы, возможно, до значения около 30 % от земного, или 300 мбар (почти треть бара). Нагревание планеты вызовет испарение огромных запасов захваченного диоксида углерода. Это не просто теория: мы знаем наверняка, что температура и атмосферное давление Марса изменяются благодаря движению планеты по эллиптической орбите вокруг Солнца в течение марсианского года. Когда Марс нагревается и охлаждается в течение года, его атмосферное давление меняется на 20 % в обе стороны по сравнению со средним сезонным значением.

Разумеется, мы не можем сдвинуть Марс ближе к Солнцу. Но нам известен еще один способ нагревания планеты, который мы, по-видимому, невольно практиковали на Земле в течение прошлого века. Я говорю о высвобождении или производстве газов, которые удерживают инфракрасное излучение Солнца – его тепло – и таким образом нагревают планету. На Земле это называется «парниковый эффект», и он вызван углекислым газом, который выделяется в результате сжигания ископаемого топлива, а также промышленными парниковыми газами. Называйте это терраформированием или парниковым эффектом, но то же самое мы способны устроить на Марсе. Парниковый эффект в атмосфере Марса может быть создан по крайней мере тремя различными способами: нагревом выбранных участков планеты для выделения крупных запасов природного парникового газа, двуокиси углерода; постройкой на Марсе заводов по производству очень мощных искусственных парниковых газов, например галогенуглеводородов, или фреонов (CFC); размножением бактерий, которые могли бы производить естественные парниковые газы, более мощные, чем диоксид углерода (но менее мощные, чем галогенуглеводороды), такие как аммиак или метан, если на Марсе удастся создать условия для жизни микроорганизмов.

Хотя концепция терраформирования Марса может показаться фантастической, идеи, на которые она опирается, просты. Главная из них – идея положительной обратной связи, явление, которое возникает, когда получаемый продукт системы увеличивает то, что поступает на вход системы. Для парникового эффекта на Марсе система с положительной обратной связью обнаруживается в соотношении между атмосферным давлением и температурой. Нагрев Марса выпускает углекислый газ из полярных шапок и из марсианского реголита. Освобожденный диоксид углерода увеличивает плотность атмосферы и повышает ее способность удерживать тепло. Удержание тепла увеличивает температуру поверхности и, следовательно, количество диоксида углерода, высвобождаемого из ледяных шапок и марсианского реголита. Это и есть ключ к терраформированию Марса – чем теплее он становится, тем плотнее будет его атмосфера, а чем плотнее его атмосфера, тем больше он нагревается.

В следующих разделах мы увидим, как можно смоделировать такую систему, и ознакомимся с результатами расчетов для такой модели. Эти результаты подтверждают, что в течение XXI века люди могут сделать марсианскую среду куда более пригодной для обитания живых организмов. Преобразовать Марс действительно в наших силах.

 

Расчеты для терраформирования

Как я отметил, Марс купается в диоксиде углерода, главном парниковом газе, но большая его часть удерживается на полюсах в замороженном виде или заблокирована в реголите планеты. Оба источника углекислого газа помогут создать на Марсе парниковый эффект, но именно замороженный углекислый газ на полюсах поспособствует началу процесса.

Крис Маккей и я использовали в расчетах модели марсианского климата, чтобы установить, что небольшое, но устойчивое изменение температуры на южном полюсе Марса – всего 4 °C – может инициировать парниковый эффект в полярной области, который приведет к испарению ледяной шапки. (Для желающих вникнуть в тонкости расчетов я добавил в конце главы техническую заметку, которая детально описывает модель, используемую нами в качестве основы для этого разговора о терраформировании.) По мере испарения шапки температура и давление атмосферы будут расти, что, в свою очередь, приведет к высвобождению огромных количеств углекислого газа, запертых в реголите. Короче говоря, скромное повышение температуры на 4 °C на южном полюсе может глобально поднять температуру на десятки градусов и преобразовать атмосферу с давлением в 6 миллибар в такую, где давление измеряется в сотнях миллибар.

Повышения температуры южного полюса всего на 4 °C едва ли будет достаточно, чтобы запустить такие изменения планетарного масштаба. Но это все равно что вытащить всего одного яблоко из нижней части аккуратно сложенной пирамиды в продуктовом магазине. Кто-то долго и упорно работал, чтобы разложить эти яблоки в состоянии хрупкого равновесия. Для того чтобы его нарушить, много не нужно. Так же и с южной полярной шапкой Марса. Она в основном состоит из замороженного диоксида углерода – сухого льда. У диоксида углерода есть характеристика, известная как «давление насыщенного пара», которая означает способность вещества переходить в газообразное или парообразное состояние. На давление насыщенного пара какого-то вещества влияет только температура, и, если поднять ее, поднимется и давление насыщенного пара – вещество будет превращаться в пар или газ более энергично. Давление насыщенного пара двуокиси углерода при 147 °К составляет 6 миллибар – это современные условия на южном полюсе Марса. (Чтобы перевести температуру из градусов Кельвина в градусы Цельсия, необходимо вычесть из нее 273 °C. То есть 273 °К равны О °С или 32 °Е Температура южной полярной шапки Марса, 147 °К, равняется -126 °C или -195 °Е) Это состояние равновесия для полярной шапки. До тех пор пока температура полюса остается такой, давление диоксида углерода не поднимается выше 6 миллибар, потому что избыточный углекислый газ просто конденсируется из атмосферы и возвращается в замороженное состояние, форму сухого льда.

Что если мы теперь увеличим температуру на полюсе искусственно? Позже я подробно опишу, как сконцентрировать на нем солнечный свет с помощью больших орбитальных зеркал, но пока давайте просто договоримся, что мы начали искусственно нагревать полюс. Вследствие повышения температуры давление насыщенного пара двуокиси углерода начнет увеличиваться, поэтому больше углекислого газа будет испаряться из шапки в атмосферу. Давление насыщенного пара – способность вещества превратить в газ – и атмосферное давление – фактический вес атмосферы над поверхностью – два очень разных понятия, но можно сказать, что по мере роста давление насыщенного пара углекислого газа на полюсах глобальное атмосферное давление на Марсе будет расти как следствие закачивания диоксида углерода в атмосферу при испарении полярной шапки. Давление насыщенного пара двуокиси углерода при любой температуре – хорошо известная величина, ее можно посмотреть в химическом справочнике, и то, что справедливо для углекислого газа на Земле, будет работать и для него на Марсе. Как влияет объем газообразного диоксида углерода на создание парникового эффекта в атмосфере планеты, также известно, хотя и с меньшей точностью, так что мы можем оценить, насколько увеличится температура на Марсе в результате уплотнения ее атмосферы. Теперь, когда мы разобрались с основными понятиями, пора рискнуть и вникнуть в численные расчеты, которые показывают, как мы можем ускорить терраформирование Марса.

Для начала взглянем на рис. 9.1. На этом рисунке вы видите результаты моделирования, проведенного Маккеем и мной для ситуации с южной полярной шапкой Марса, где, по нашему мнению, может находиться достаточное количество замороженного углекислого газа, чтобы поднять атмосферное давление Марса до значений от 50 до 100 мбар. Я нанес на график полярную температуру как функцию атмосферного давления и давление насыщенного пара как функцию полярной температуры. Обратите внимание на две точки, А и В, где кривые пересекаются. Это точки равновесия, где среднее атмосферное давление Марса (Р – атмосферное давление над усредненной поверхностью Марса в миллибарах) и полярная температура (Т – в градусах Кельвина) приведены в виде двух взаимно согласованных кривых. Однако А – это устойчивое равновесие, в то время как В – неустойчивое. Это можно увидеть, исследуя динамику системы там, где кривые не совпадают. Всякий раз, когда температурная кривая лежит выше кривой давления насыщенного пара, система будет двигаться вправо, к повышению температуры и давления. Так возникает парниковый эффект. Когда температурная кривая лежит ниже кривой давления, система будет двигаться влево, к понижению температуры и давления. Это случай растущего «эффекта морозильной камеры». Современные условия на южном полюсе Марса соответствуют точке А с давлением 6 миллибар и температурой около 147 °К.

Рис. 9.1. Динамика полярной шапки и атмосферы Марса. Текущие равновесие обозначено точкой А. Повышение полярной температуры на 4°К будет сближать точки равновесия А и В, вызывая неизбежный нагрев, который приведет к таянию шапки

Рис. 9.2. Динамика марсианского реголита и атмосферы при условиях Td = 20 °К с запасом CO2 для реализации атмосферного давления в 500 мбар

Теперь рассмотрим, что произойдет, если искусственно повысить температуру на южном марсианском полюсе на несколько градусов. Вся кривая температуры будет двигаться вверх, заставляя точки А и В сближаться, пока они не встретятся. Если рост составит 4 °К, температурная кривая сместится достаточно высоко вверх на графике, чтобы везде оказаться выше кривой давления насыщенного пара. Результатом таких изменений будет парниковый эффект, который вызовет таяние всего полюса, возможно, меньше, чем за десятилетие. После того как давление и температура пройдут мимо точки В, Марс окажется в состоянии нарастающего парникового эффекта даже без искусственного подогрева, так что, если позже прекратить его, атмосфера будет оставаться на своем месте.

По мере испарения полярной шапки в игру вступает парниковый эффект, вызванный запасами углекислого газа в марсианском реголите. Эти резервы существуют главным образом в регионах на высоких широтах, и их одних может быть достаточно, чтобы увеличить атмосферное давление на Марсе до 400 мбар. Однако мы не сумеем получить из реголита весь запас диоксида углерода, потому что при нагреве реголит действует как «сухая губка», стремясь впитать углекислый газ обратно. К сожалению, тут мы сталкиваемся с самой крупной неизвестной на данный момент – количеством энергии или изменением температуры, которое требуется, чтобы высвободить двуокись углерода из марсианского реголита. Назовем эту неизвестную температурой десорбции (Td) и оценим ее в 20 °К, хотя позже мы будем менять ее значение, чтобы увидеть, где наша модель перестает действовать. Динамика атмосферы и реголита продемонстрирована на рис. 9.2. Рисунок показывает созданное за счет CO2 из реголита атмосферное давление на Марсе (обозначенное как «давление реголита») как функцию от температуры реголита, Тreg. (Тreg является средним арифметическим значением температуры реголита в различных областях планеты, взвешенным в соответствии с тем, сколько поглощенного газа он может удержать самостоятельно при собственной локальной температуре. Поскольку холодная почва удерживает больше CO2, Тreg близка к температуре вблизи околоарктических или околоантарктических районов Марса.) Рисунок также демонстрирует зависимость температуры реголита от давления двуокиси углерода в атмосфере. Чтобы получить эти кривые, я предположил, что при высвобождении всех доступных на текущий момент запасов углекислого газа из полярных областей атмосферное давление подскочило бы на 100 мбар, и высвобождение всех резервов двуокиси углерода из реголита повысило бы атмосферное давление на 394 мбар. Таким образом, предполагается, что вместе с уже имеющимся атмосферным давлением в 6 мбар в этом примере Марс имеет общее количество углекислого газа для поддержания атмосферного давления в 500 мбар.

Из рисунка 9.2 следует, что система атмосфера – реголит при Td, равном 20 °К, имеет только одну точку устойчивого равновесия (где обе кривые пересекаются). После того как полярная шапка исчезнет, глобальная температура и давление на Марсе сойдутся в этой точке. То есть к тому времени, когда процесс дойдет до полной остановки из-за истощения запасов углекислого газа в реголите и на полюсе, общее атмосферное давление будет составлять около 300 мбар, или 4,4 фунта на квадратный дюйм. На рисунке 9.2 показано, какой будет средняя суточная температура в тропических регионах Марса (Тmax) в летнее время, после того как плотность атмосферы увеличится. Обратите внимание, что кривая приближается к 273 °К, точке замерзания воды, или, что более важно с точки зрения терраформирования, точке таяния льда. Если прибавить к этому скромные дополнительные меры по созданию парникового эффекта, начнут таять водяной лед и вечная мерзлота.

Если предположить, что оценка температуры десорбции (Td) в 20 °К слишком оптимистична, положение точки равновесия сходимости (точка С на рис. 9.2) будет очень чувствительно к величине, которую мы выбираем. Рисунок 9.3 показывает, что произойдет, если значения температуры, необходимой для освобождения диоксида углерода из реголита, составят 25 и 30 °К. В этих случаях точка равновесия сходимости значительно смещается: от 300 миллибар при Td = 20 °К к 31 мбар при Td = 25 °К и к 16 мбар, если Td = 30 °К. Поначалу может показаться, что такая исключительная чувствительность последнего условия к неизвестной величине Td ставит под сомнение всю идею терраформирования. Однако на рис. 9.3 также показано (пунктирной линией), что произойдет, если мы используем искусственные методы создания парникового эффекта, чтобы поддержать температуру реголита (Тreg) на 10 °К выше значения, получаемого при самостоятельной дегазации диоксида углерода. Как упоминалось ранее, этого можно добиться, если закачать CFC промышленного производства в атмосферу. Как видите, это значительно улучшает итоговые показатели глобальной температуры и атмосферного давления, если предположить, что температура десорбции равна 25 или 30 °К. Кроме того, мы видим, что все три случая (Td равно 20, 25 или 30 °К) сходятся в конечных состояниях, где Марс обладает атмосферой с давлением в несколько сотен миллибар.

Рис. 9.3. Искусственное повышение температуры реголита на 10 °К может противодействовать эффекту изменения Td. Данные основаны на предположении, что планетарные запасы газообразного CO2 соответствуют атмосферному давлению в 500 мбар

В модели есть еще одна неизвестная, которую мы должны исследовать, хотя о ней мы кое-что знаем. Это фактическое количество имеющихся резервов углекислого газа, которые можно обнаружить на Марсе. Чем больше запасы, тем больше углекислого газа мы сумеем извлечь из реголита, и, следовательно, тем плотнее станет атмосфера Марса. Итак, мы должны задать вопросы, богаты или бедны марсианские запасы диоксида углерода и как ответ на предыдущий вопрос сказывается на нашей модели? В настоящий момент лучшее, что мы можем сделать, это рассмотреть оба варианта.

Чтобы понять, насколько обилие двуокиси углерода может повлиять на наши усилия по терраформированию, и как значение Td будет взаимодействовать с имеющимся количеством углекислого газа, обратитесь к рис. 9.4–9.7. На них можно увидеть окончательное атмосферное давление и точки равновесия максимальной сезонной средней температуры для тропиков Марса, основанные на варианте с бедными запасами диоксида углерода, которые позволяют создать атмосферное давление около 500 мбар (50 мбар углекислого газа в южной полярной шапке и 444 мбар в реголите), и с богатыми – которые позволяют создать давление около 1000 мбар углекислого газа (100 мбар в полярной шапке и 894 мбар в реголите). Помните, что повышение температуры реголита с помощью искусственных методов приводит к значительной разнице в конечном состоянии атмосферы при различных значениях температуры десорбции. То же верно и для рис. 9.4–9.7, где различные кривые соответствуют различным условиям: либо после того, как CO2 вытаял из полярной шапки, постоянный искусственный парниковый эффект уже не создается, либо же постоянно прилагаются усилия для поддержания средней температуры планеты на уровне 5, 10 или 20 °К выше величины, рассчитанной только для атмосферы из диоксида углерода. Например, как показано на рис. 9.5, даже при допущении, что температура десорбции равна 40 °К, искусственно поддерживаемая температура атмосферы в 20 °К приводит к скачку общей температуры более чем на 40 °К. Однако более важно, что если постоянно поддерживать среднюю температуру планеты на 20 °К выше значения, которое способны поддержать имеющиеся марсианские запасы двуокиси углерода, то атмосфера ощутимой толщины с приемлемым давлением может быть создана даже в том случае, когда температура десорбции имеет неутешительное значение в 40 °К.

Рис. 9.4. Равновесное давление, достигаемое на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO2 будут соответствовать атмосферному давлению в 500 мбар, после того как 50 мбар CO2 выпарили из полярной шапки. DT – это искусственно поддерживаемый устойчивый рост температуры

Рис. 9.5. Равновесная максимальная сезонная температура (суточное среднее значение), достижимая на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO2 будут соответствовать атмосферному давлению в 500 мбар, после того как 50 мбар CO2 выпарили из полярной шапки

Рис. 9.6. Равновесное давление, достигаемое на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO2 будут соответствовать атмосферному давлению в 1000 мбар, после того как 100 мбар CO2 выпарили из полярной шапки. DT – это искусственно поддерживаемый устойчивый рост температуры

Рис. 9.7. Равновесная максимальная сезонная температура (суточное среднее значение), достижимая на Марсе в предположении, что общие запасы газообразного CO2 будут соответствовать атмосферному давлению в 1000 мбар, после того как 100 мбар CO2 выпарили из полярной шапки

Важный вывод, который можно сделать из этого анализа, заключается в том, что, хотя окончательные условия на Марсе после терраформирования могут быть весьма чувствительны к ныне неизвестному значению температуры, необходимой, чтобы освободить диоксид углерода из реголита, – Td, они даже более чувствительны к уровню постоянно поддерживаемого искусственного парникового эффекта. Проще говоря, конечные условия в системе атмосфера – реголит на Марсе после терраформирования можно контролировать. Повышая среднюю температуру планеты исключительно путем освобождения природных запасов углекислого газа, мы сможем преодолеть ограничения, налагаемые даже предельными значениями Td.

 

Как быстро углекислый газ выходит из реголита?

До сих пор мы рассматривали конечные условия, которые возникнут, после того как весь доступный нам углекислый газ испарится из полярной шапки и высвободится из реголита. Материал, полученный из полярной шапки, выделяется быстро, но вытеснение адсорбированного диоксида углерода из реголита на значительной глубине может занять некоторое время. Для терраформирования скорость, с которой происходит выделение углекислого газа из реголита, очень важна. В конце концов, если процесс испарения значительного количества газа из реголита займет 100 миллионов лет, то все наши расчеты будут представлять разве что академический интерес.

Скорость, с которой газ выходит из реголита, прямо пропорциональна скорости, с которой повышение температуры, которое мы создали на поверхности Марса, может передаваться грунту. Мы получим довольно хорошую оценку этого темпа, если предположим, что марсианский реголит во многом похож на сухую почву на Земле, возможно, с небольшой примесью льда. Скорость, с которой тепло распространяется в такой среде, регулируется процессом теплопроводности. Уравнения теплопроводности предсказывают, что время, необходимое, чтобы повышение температуры распространилось на заданное расстояние в некой среде, пропорционально квадрату расстояния. Если взять за основу показатели для сухой земной почвы, скорость распространения тепла на Марсе составит около 16 квадратных метров в год. Мы также должны оценить количество газа в реголите. Если взять раздробленные цеолиты и при марсианских температурах подержать их в углекислом газе, они адсорбируют достаточное количество диоксида углерода, примерно 20 % от их чистой массы. Марсианский реголит состоит не из цеолита, но, вероятно, включает в себя много глиноподобного материала, который сходен с цеолитами по свойствам. Давайте предположим, что марсианский реголит насыщен углекислым газом примерно на 5 % и что свободный материал имеет среднюю плотность 2,5 тонны на кубометр. В этом случае нам бы пришлось вытеснять углекислый газ из реголита – дегазировать его – до глубины 200 метров, чтобы произвести на Марсе давление в 1000 мбар (1 атмосфера, давление на уровне моря на Земле). Скажем, мы индуцировали устойчивый искусственный рост температуры на поверхности в 10 °К, чего вполне достаточно, чтобы извлечь значительную часть газа, находящегося в реголите. Затем тепло начнет распространяться в грунте. Скорость, с которой это произойдет, показана в табл. 9.1.

Как видите, если на достижение значительной глубины уходит очень много времени, то небольшая прогреется достаточно быстро. И хотя нужны тысячи лет, чтобы тепло распространилось на 200 метров вниз и высвободило из реголита запас углекислого газа для давления в 1000 миллибар, первые 100 миллибар можно получить в течение всего нескольких десятилетий.

Поскольку значительная часть областей Марса нагревается выше точки замерзания по меньшей мере в определенные времена года, большие количества воды, вмороженные в реголит как вечная мерзлота, начнут таять и в конечном итоге вытекут в сухие русла рек. Водяной пар тоже эффективно действует как парниковый газ, а поскольку давление насыщенных паров воды на Марсе при таких условиях значительно вырастет, возвращение жидкой воды дополнит лавину самоускоряющихся эффектов, способствующих быстрому потеплению на планете. Сезонная доступность жидкой воды – также ключевой фактор, важный для создания природных экосистем на поверхности Марса.

Таблица 9.1. Скорость поступления в атмосферу углекислого газа из марсианского реголита

Как может протекать процесс дегазации реголита, мы знаем лишь приблизительно, а общий объем имеющихся запасов диоксида углерода не будет известен наверняка, до тех пор пока астронавты не полетят на Марс, чтобы провести детальное исследование. Так что приведенные результаты следует рассматривать как приблизительные и неточные. Тем не менее понятно, что положительная обратная связь, генерируемая марсианской парниковой системой с диоксидом углерода, значительно снижает количество инженерных усилий, которые потребуются для преобразования Красной планеты. В самом деле, поскольку количество парникового газа, необходимое для нагрева планеты, приблизительно пропорционально квадрату требуемого изменения температуры, создание на Марсе нарастающего парникового эффекта при искусственном повышении температуры на 10 °К потребует всего лишь около 4 % инженерных усилий в подходе грубой силы, которые будут необходимы для увеличения температуры на 50 °К, чтобы марсианские тропики находились при температуре выше точки замерзания воды. Теперь рассмотрим следующий вопрос: как повысить глобальную температуру Марса на 10 °К?

 

Методы достижения глобального потепления на Марсе

Наиболее перспективными, по всей видимости, будут три варианта: использование орбитальных зеркал для изменения теплового баланса южной полярной шапки (что вызовет испарение диоксида углерода из полярных запасов); массовое производство искусственных галогенуглеводородов на промышленных объектах на поверхности Марса; создание распространенных бактериальных экосистем, способных нагреть планету путем выделения больших количеств сильных естественных парниковых газов, таких как аммиак и метан. Мы рассмотрим каждый из способов по очереди. Однако может статься, что взаимовыгодное сочетание нескольких таких методов может дать лучшие результаты, чем любой из них, использованный по отдельности [47].

 

Орбитальные зеркала

Хотя производство космического зеркала, способного нагреть всю поверхность Марса до земных температур, теоретически возможно, по инженерной сложности эта задача выходит далеко за пределы технологического горизонта этой книги. Гораздо более практичная идея состоит в постройке зеркала, способного прогреть ограниченную область Марса на несколько градусов. Как показывают данные на рис. 9.1, нагрев южного полюса на 4 °К должен вызвать испарение резервуара с диоксидом углерода в полярной шапке. На основании общего количества солнечной энергии, необходимого для повышения температуры в данной области на определенное количество градусов выше полярного значения в 150 °К, мы приходим к выводу, что космическое зеркало радиусом 125 километров может отражать достаточно солнечного света, чтобы поднять температуру во всей области к югу от 70° южной широты на 5 °К. Этого более чем достаточно. Если солнечный парус будет сделан из материала вроде покрытого алюминием майлара с плотностью 4 тонны на квадратный километр (и толщиной около 4 мкм), его масса составит 200 000 тонн. Множество кораблей близкой массы в настоящее время плавают по океанам Земли. Таким образом, хотя для запуска с Земли парус слишком велик, его можно будет построить в космосе из вещества с астероидов или спутников Марса – когда у нас появятся необходимые технологии. Общее количество энергии, необходимое, чтобы обработать материал для такого отражателя, составит около 120 МВт. лет. Для этого нам потребуется набор 5 МВт ядерных реакторов, которые могут быть использованы в пилотируемом ядерном электрическом реактивном (ЯЭР) космическом аппарате. Интересно, что при размещении вблизи Марса такое устройство не должно обращаться вокруг планеты. Давление солнечного света сбалансирует притяжение планеты, позволяя зеркалу парить как «статит», а вырабатываемая энергия постоянно будет направляться на южную полярную область [48]. Рабочая высота для паруса предложенной плотности составит 214 000 километров. Идея статита-отражателя и размер зеркала, необходимый для того, чтобы спровоцировать рост полярной температуры, приведены на рис. 9.8 и 9.9.

Рис. 9.8. Солнечные паруса с плотностью 4 тонны на квадратный километр можно стационарно удерживать над Марсом давлением излучения на высоте 214 000 километров. Расход небольшого количества света позволит избежать затенения

Рис. 9.9. Солнечные паруса-зеркала с радиусами порядка 100 километров и массами в 200 000 тонн способны поднять температуру на 5 °К и тем самым вызвать испарение CO2 в южной полярной шапке Марса. Такие зеркала мы можем построить в космосе

Если значение Td меньше 20 °К, то самостоятельного высвобождения полярных запасов углекислого газа может быть достаточно, чтобы вызвать испарение резервов реголита и нарастающий парниковый эффект. Однако представляется вероятным, что если Td превысит 20 °К, то нам придется добавить сильные парниковые газы в атмосферу, чтобы вызвать глобальное повышение температуры, достаточное для создания ощутимого атмосферного давления на Марсе.

 

Производство галогенуглеводородов на Марсе

Наиболее очевидный способ повысить температуру на Марсе – построить заводы по производству самых сильных парниковых газов, известных человеку, то есть галогенуглеводородов, или CFC, и распространить их в атмосфере. На Земле CFC обвиняют не только в создании парникового эффекта, но и в разрушении озонового слоя. Однако, если мы будем выбирать наши галогенуглеводородные парниковые газы тщательно и использовать разновидности, не содержащие хлора, мы можем создать защищающий от ультрафиолетового излучения озоновый слой для марсианской атмосферы. Одним из хороших кандидатов на роль такого газа будет перфторметан, CF4, который также отличается стабильностью в верхних слоях атмосферы (сохраняется в течение более чем 10 000 лет). В таблице 9.2 мы приводим количество галогенуглеводородных газов, которое необходимо выпустить в атмосферу, чтобы обеспечить заданный рост температуры, и количество энергии, которая позволит произвести требуемые CFC в течение двадцати лет. Если эти газы имеют срок жизни в атмосфере, равный ста годам, то примерно одна пятая часть уровня мощности, указанного в таблице, потребуется для поддержания концентрации CFC после того, как она будет накоплена. Промышленные усилия, связанные с таким уровнем энергии, будут значительными, поскольку будет производиться несколько десятков тонн чистого материала каждый день и потребуется задействовать несколько тысяч рабочих на Марсе. Может понадобиться уровень мощности около 5000 МВт, что примерно совпадает с количеством энергии, которое использует сегодня большой американский город, например Чикаго. В общей сложности бюджет проекта может составить несколько сотен миллиардов долларов. Тем не менее, если рассмотреть все аспекты, такой проект вряд ли окажется неподъемным для человечества середины XXI века.

 

Биологическое решение

Мы потратим гораздо меньше усилий на создание парникового эффекта на Марсе, если обратимся к нашим биологическим помощникам. Такой подход к терраформированию отстаивал покойный Карл Саган, начиная с 1960-х годов, когда предположил, что Венеру можно было бы сделать более пригодной для жизни, если посеять в ее атмосферу водоросли, которые бы потребляли углекислый газ и тем самым уменьшали адский парниковый эффект на планете [49]. Идея, скорей всего, неработоспособная, но в поздних исследованиях Марса Саган и его коллега Джеймс Поллак выяснили, что существуют бактерии, которые могут потреблять азот и воду и производить аммиак [50]. В атмосфере Марса азот присутствует в незначительных количествах, но его богатые запасы могут обнаружиться в нитратных залежах реголита. Другие бактерии умеют соединять воду и углекислый газ в метан. И аммиак, и метан являются отличными парниковыми газами, в тысячи раз более мощными, чем двуокись углерода, хотя и не такими эффективными, как галогенуглеводороды. Если запустить парниковый эффект полярными зеркалами или производством CFC и тем самым обеспечить циркуляцию некоторого количества жидкой воды, мы, вероятно, сможем создать на поверхности планеты бактериальную экосистему, которая ускорит процесс благодаря выделению больших количеств аммиака и метана. В самом деле, если бы 1 % поверхности планеты был покрыт такими бактериями (а мы предполагаем, что они работают с эффективностью около 0,1 %, преобразуя энергию солнечного света в химические соединения), то ежегодно производилось бы около миллиарда тонн метана и аммиака. Этого достаточно, чтобы нагреть планету на 10 °К примерно за тридцать лет.

Таблица 9.2. Создание парникового эффекта на Марсе с помощью галогенуглеводородов (CFC)

Кроме того, аммиак и метан будут защищать поверхность планеты от солнечного ультрафиолетового излучения. Хотя в процессе аммиак и метан будут непрерывно разрушаться, так как типичная молекула имеет срок жизни в атмосфере в несколько десятилетий. Но бактерии постоянно будут их заменять. Также по мере нагревания планеты и дегазации диоксида углерода из реголита озоновый слой Марса будет утолщаться, обеспечивая дополнительное УФ-экранирование и для поверхности, и для аммиака и метана в атмосфере. (Углекислый газ способствует образованию озона. В самом деле, Марс в настоящее время имеет озоновый слой толщиной около 1/60 толщины земного, что довольно хорошо, если считать, что толщина его атмосферы всего 1/120 от земной.)

В считаные десятилетия, используя комбинацию из этих подходов, можно преобразовать Марс из сухой ледяной пустыни в относительно теплую и слегка влажную планету, на которой мы сумеем поддерживать жизнь. Воздух преобразованного Марса не станет подходящим для дыхания, но людям больше не понадобятся скафандры, можно будет свободно передвигаться в обычной открытой одежде и простом дыхательном приспособлении типа акваланга. Кроме того, поскольку атмосферное давление удастся довести до приемлемого для людей уровня, можно будет строить для людей огромные жилые помещения под надувными куполами, содержащие пригодный для дыхания воздух. (Купола могут быть неограниченного размера, потому что они не будут страдать от перепада давления между их внутренней и внешней средой, как во время строительства базы.) С другой стороны, простые выносливые растения могут процветать за пределами жилых помещений в среде, богатой углекислым газом, и быстро распространиться по всей поверхности планеты. С течением веков эти растения будут внедрять кислород в марсианскую атмосферу в возрастающих количествах, пригодных для дыхания, и тем самым создавать приемлемые условия для более сложных растений и животных. Содержание диоксида углерода в атмосфере при этом станет уменьшаться, а планета – остывать, пока не будут введены парниковые газы, способные блокировать те участки инфракрасного спектра, которые ранее блокировал диоксид углерода. Рано или поздно настанет день, когда в куполообразных тентах не останется необходимости.

 

Активация гидросферы

Первые успехи в терраформировании Марса, нагрев планеты и уплотнение ее атмосферы, могут быть достигнуты удивительно скромными средствами, например, использованием галогенуглеводородных газов местного производства с некоторой помощью бактерий. Уровень содержания кислорода и азота в атмосфере, однако, будет слишком низким для многих растений, и, если не предпринять мер, планета останется довольно сухой, так как при небольшом повышении температуры понадобятся столетия, чтобы расплавить льды и глубоко похороненную вечную мерзлоту Марса. Именно на этом втором этапе терраформирования Марса активируется гидросфера, атмосфера становится пригодной для сложных растений и примитивных животных, а температура продолжает расти, и в этом, вероятно, все более важную роль будут играть изготовленные в космосе крупные солнечные концентраторы. Быстро активировать гидросферу нам позволит использование орбитальных зеркал.

Например, если бы зеркало радиусом 125 километров, которое мы собирались использовать для испарения полярной шапки, сконцентрировало полученную им энергию на меньшей области, это дало бы 27 ТВт энергии, чтобы растопить озера (один тераватт, или ТВт, равен одному триллиону ватт). Этого достаточно, чтобы растопить 2 триллиона тонн воды в год (озеро со стороной 200 километров и 50 метров в глубину). Одно такое зеркало поможет нам перевести огромное количество воды из вечной мерзлоты в нарождающуюся марсианскую экосистему. Чем быстрее начнет циркулировать вода, тем активнее станет деятельность денитрифицирующих бактерий по разрушению нитратного слоя Марса, а значит, в атмосферу будет поступать все больше свободного азота и станет больше растений, производящих кислород. Активация гидросферы также поспособствует разрушению окисляющих химических соединений в марсианском реголите (которые, как показали данные миссии «Викинг», неустойчивы в присутствии воды), и в процессе в атмосферу будет высвобождаться дополнительный кислород. Таким образом, хотя проектирование и производство таких зеркал потребуют от нас грандиозных усилий, пользу от полученных десятков тераватт энергии трудно переоценить.

 

Наполнение атмосферы планеты кислородом

Самая сложная в технологическом плане задача – наполнить атмосферу Марса таким количеством кислорода, которое позволяет поддерживать животную жизнь. В то время как бактерии и простейшие растения могут выжить без кислорода, более сложные растения требуют давления по крайней мере 1 мбар, а людям нужно 120 мбар. Несмотря на то что в марсианском реголите, вполне вероятно, содержатся супероксиды или нитраты, которые можно нагреть, чтобы высвободить кислород и азот в виде газов, процесс потребует огромного количества энергии, примерно 2200 ТВт. лет на каждый произведенный миллибар. Подобные количества энергии потребуются и растениям, чтобы выделять кислород из диоксида углерода. Однако у растений есть преимущество: если их однажды посадили, они могут разрастаться и размножаться. Поэтому производство кислородной атмосферы на Марсе распадается на две фазы. На первом этапе используются инженерные методы грубой силы, дополненные распространением для начала цианобактерий и примитивных растений для получения достаточного количества кислорода (около 1 мбар), чтобы затем сделать возможным распространение более сложных растений по всему Марсу. Если предположить, что у нас будут три космических зеркала 125-километрового радиуса и достаточные запасы необходимых материалов на поверхности Марса, мы получим желаемый результат примерно за двадцать пять лет. Есть и другой способ: количество кислорода, дающее давление в 1 мбар, может быть добавлено в атмосферу примерно за век благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий. В любом случае, как только появятся начальный запас кислорода, умеренный климат, утолщенная углекислая атмосфера, обеспечивающая достаточное давление и значительно снижающая дозу космической радиации, и приличное количество циркулирующей воды, можно будет внедрять генетически модифицированные растения, которые сумеют приспособиться к марсианскому реголиту и осуществлять фотосинтез с высокой эффективностью, вместе с бактериями-симбионтами. Предположим, что распространить растения по всему Марсу мы сумеем в течение нескольких десятилетий и что эффективность этих растений благодаря генной модификации будет составлять 1 % (довольно много, но иногда встречается и на Земле), то они будут эквивалентны продуцирующему кислород источнику энергии примерно на 200 ТВт. Если объединить усилия таких биологических систем с энергией около 90 ТВт от космических зеркал и 10 ТВт от элементов питания на поверхности (земная цивилизация сегодня использует около 15 ТВт), требуемые 120 мбар кислорода, которые нужны для жизни людей и других высших животных под открытым небом, могут быть произведены примерно в течение девятисот лет. Если мы сумеем разработать более мощные искусственные источники энергии или вывести еще более эффективные растения (или, допустим, сконструировать самовоспроизводящиеся машины для фотосинтеза), процесс может ускориться. И этот факт сам по себе способен стать двигателем для воплощения таких технологий в жизнь. Можно отметить, что энергия термоядерного синтеза в количествах, необходимых для ускоренного терраформирования, также является ключевой технологией для осуществления пилотируемых межзвездных полетов. Если терраформированию Марса суждено способствовать появлению такой боковой отрасли, то конечным результатом этого проекта станет доступность для человечества не только одного нового мира, пригодного для проживания, но целых мириад миров.

 

Подарок для будущего

Теоретические расчеты выносят однозначный вердикт: Красная планета может быть терраформирована. Но только астронавты-исследователи, работающие на Марсе, сумеют получить достаточное количество информации о планете и способах использования ее ресурсов, чтобы превратить мечту в реальность. Но игра, конечно, стоит свеч, потому что на кону стоит целый новый мир.

В некотором смысле, обсуждение потенциала человечества по терраформированию Марса возвращает нас в исходную точку. Каково наше место во Вселенной? Кеплер доказал, что законы небес постижимы для человеческого разума. Первые астронавты, которые долетят до Марса, докажут, что миры небесные достижимы для человеческой жизни. Но, если мы можем терраформировать Марс, это докажет, что миры небесные сами по себе подвластны человеческой разумной воле.

Марс может стать вторым домом для жизни во всех ее проявлениях, не только для людей, и даже не только для «рыб морских… птиц небесных… и каждого живого существа, что движется по земле», но и для множества видов, которых еще не существует. Новые миры порождают новые формы жизни, и в новых условиях терраформированного Марса жизнь, привезенная с Земли, может пойти дальше и множиться в еще неизведанном разнообразии новых царств и родов.

Это чудесное наследие, которое мы передадим будущим поколениям. Это не только новый мир для жизни и цивилизации, но пример того, чего мужчины и женщины, обладающие интеллектом, смелостью и дальновидностью, могут достичь, когда действуют во имя высших идеалов. Нам никогда не быть богами. Но человечество, которое преобразует Марс, докажет, что люди больше, чем просто животные, что на самом деле мы – существа, которые несут особую искру. Видя обновленный Марс, каждый сможет гордиться тем, что он – человек. Слушая историю Красной планеты, каждый сможет вдохновиться и взяться за задачи, ведущие к звездам.

 

Уравнения для моделирования условий на Марсе

Можно оценить среднюю температуру на Марсе как функцию атмосферного давления CO2 и солнечной постоянной, используя следующее уравнение:

Т mean = 213,5S 0,25 + 20(1 + S)P 0,5 , (1)

где Tmean есть средняя температура планеты в градусах Кельвина, S – количество солнечного излучения, причем для современного Солнца S равен 1, и Р является атмосферным давлением над средней высоте поверхности Марса, приведенным в барах. (1 бар – это значение, которое жители равнинной местности считают нормальным атмосферным давлением – 14,7 фунта на квадратный дюйм. Так как подобные решения обычно принимают люди, живущие на зловонных болотах возле таких столичных городов, как Вашингтон, Лондон и Париж, это странное значение стало стандартом.)

Поскольку атмосфера является эффективным средством передачи тепла от экватора к полюсу, мы с Крисом Маккеем оценили:

Т pole ,= Т mean – 75S 0,25 /(1 + 5Р) (2)

Также разумно предположить, основываясь на грубом приближении к наблюдаемым данным, что:

Тmax = Тequator =1,1 Тmean (3)

и что глобальное распределение температуры определяется по формуле:

Т(θ) = Тmax – (Тmax – Тpole) × (sinθ)1,5, (4)

где θ – это широта (северная или южная).

Уравнения (1)-(4) задают температуру на Марс как функцию давления диоксида углерода. Тем не менее, как упоминалось выше, давление диоксида углерода на Марсе само является функцией температуры. Есть три источника диоксида углерода на Марсе: атмосфера, сухой лед в полярных шапках и газ, поглощенный реголитом. Взаимодействие резервуаров полярных шапок с атмосферой хорошо понятно и определяется простым соотношением между давлением насыщенного пара двуокиси углерода и температуры на полюсах. Оно задается кривой давления насыщенного пара диоксида углерода, которая аппроксимируется следующим образом:

Р = 1,23×107{ехр(-3170/Тpо1е)} (5)

До тех пор пока углекислый газ есть как в атмосфере, так и на южном полюсе, уравнение (5) дает точный ответ на вопрос о том, как давление углекислого газа в атмосфере будет зависеть от полярной температуры. Однако, если полярная температура должна подняться до значения, при котором давление насыщенного пара гораздо больше, чем то, что может быть произведено запасом CO2 на южном полюсе (от 50 до 100 миллибар), то шапка исчезнет и атмосфера будет регулироваться запасами углекислого газа в реголите.

Соотношение между давлением запаса углекислого газа в реголите, атмосферным давлением и температурой точно не известно. Маккей предлагает следующую эмпирическую оценку [51]:

P ={CMa×exp(T/Td)}3,64, (6)

где Ма – количество газа, адсорбированного в реголите в барах, С – константа, подобранная таким образом, чтобы уравнение (6) отражало хорошо известные марсианские условия, a Td – характеристическая энергия, необходимая для освобождения газа из реголита («температура десорбции»). Уравнение (6) является по существу вариацией известного закона изменения химического равновесия в зависимости от температуры, так что можно считать его в целом верным. Тем не менее величина Td неизвестна и, вероятно, останется такой до тех пор, пока человек не начнет осваивать Марс. Но мы можем вынести проблему за скобки путем изменения Td от 15 до 40 °К (чем ниже значение Td, тем легче будет тем, кто займется терраформированием). Затем мы используем глобальное распределение температуры, заданное уравнением (4), чтобы проинтегрировать уравнение (6) по поверхности планеты и получить глобальное «давление реголита». Это дает достаточно точную квазидвумерную картину проблемы равновесия системы атмосфера – реголит, в которой большая часть поглощенного диоксида углерода распределяется в холодных регионах планеты. Таким образом, в нашей модели региональные (в смысле широты) изменения температуры, особенно в приполярных регионах, могут так же серьезно влиять на взаимодействие системы атмосфера/реголита, как изменения средней температуры планеты.

Результаты расчетов по этой модели, показанные графически в данной главе, дают серьезные основания полагать, что Марс может быть терраформирован.