Как выжить на Марсе - Роберт Зубрин

Обратите внимание на две точки — А и В, в которых кривые пересекаются. Каждая из них — пункт равновесия, где атмосферное давление Марса и средняя температура (в кельвинах; для перевода в градусы Цельсия, вычтите 273: 273 К = 0 °C) взаимно согласуются. Тем не менее точка А — устойчивое равновесие, а В — неустойчивое. Это можно понять, рассмотрев динамику системы в тех местах, где графики не совпадают. Когда кривая температуры находится над кривой давления, система смещается вправо по отношению и к температуре, и к давлению. Этот вариант и является безудержным парниковым эффектом. Когда кривая температуры находится под кривой давления, система смещается влево по отношению к уменьшающейся температуре и к давлению. Тут можно говорить о ледниковом эффекте. Сегодня Марс находится в точке А с давлением 6 мбар и средней глобальной температурой около 215 К.

Теперь представьте, что случится, если искусственно повысить температуру полюсов Марса на 8 К. Результаты таких изменений показаны пунктирной кривой, помеченной треугольниками. С увеличением этой температуры сплошная температурная кривая поднимется выше к пунктирной кривой, сближая точки А и В, пока они не встретятся в пункте С. Средняя глобальная температура в точке С составит 230 К, что на 15 градусов теплее, чем в точке А.

То есть очевидно, что 8 К, вложенные в систему, дали положительную отдачу в 15 К. Но более важно то, что новая температурная кривая находится над кривой давления по всей длине, поэтому точка С — неустойчивое равновесие. Когда это состояние достигнуто, благодаря неудержимому парниковому эффекту, все доступные объемы CO2 изо льда и реголита испарятся. Это приведет к повышению температуры и давления на протяжении всей пунктирной кривой. Как только величина давления выйдет за рамки текущего неустойчивого равновесия (примерно 200 мбар в точке В), Марс окажется в роли парника даже без искусственного подогрева. Поэтому если остановить последний позже, атмосфера все равно останется на месте.

Имея 6 мбар CO2 в нынешней атмосфере, около 100 мбар — в виде замерзшего на полюсах и 400 мбар — в реголите, у нас есть достаточно газа для создания атмосферы с давлением вдвое меньше земного. Глядя на данные графика, можно понять: при таких условиях средняя глобальная температура может подняться до 275 К, то есть несколько выше точки замерзания воды, а в экваториальных зонах и в теплое время года будет еще теплее.

Этого вполне достаточно для создания благоприятной для жизни планеты.

Как скоро из реголита получится атмосфера?

Но сколько времени займет этот процесс? Полярные шапки растают быстро, но вытягивание углекислого газа из глубин реголита потребует времени. Чтобы терраформирование имело практический интерес для ищущих выгоду инвесторов, скорость процесса очень важна. В конце концов, если значительному количеству газа для выхода из реголита потребуется десять миллионов лет и потенциальные вкладчики это обнаружат, вопрос реализации плана станет скорее академическим.

К счастью, в этом случае для улучшения картины нет необходимости приплачивать ученым шарлатанам. Скорость высвобождения газа из реголита прямо пропорциональна скорости проникновения увеличенной нами температуры поверхности в почву. По теплопроводности марсианский реголит похож на сухую земную почву с небольшой примесью льда. Скорость, с которой тепло будет продвигаться по нему, управляется процессом теплопроводности. Уравнение последнего гласит: время, за которое температура распространяется на данное расстояние через почву, пропорционально этому расстоянию в квадрате. Ученые ДТПМ измерили эту скорость в разных областях Марса, и среднее значение составило около 16 м² в год. Марсианский реголит имеет плотность 2,5 тонны на квадратный метр и содержит множество глиноподобных минералов. Кроме того, лучшие предположения секретных документов Правления сообщают о залегании на существенной глубине 5 % углекислого газа. Если это правда (а кто я такой, чтобы оспаривать выводы дипломированных специалистов ДТПМ?), нам следует форсировать выпаривание углекислого газа из реголита на глубине 100 м — чтобы получить на Марсе давление в 500 мбар (половина земного давления на уровне моря).

Интенсивность поступления газа из реголита в атмосферу Марса. Данные предоставлены организацией MATD

Допустим, мы искусственно увеличили температуру на поверхности планеты на 10 К. Этого достаточно, чтобы испарить значительное количество газа из реголита. Благодаря этому, начнет нагреваться и почва. Скорость такого процесса показана на графике.

Видите, хотя для проникновения тепла на значительную глубину нужно время, поверхность можно обработать быстрее. Если дойти до отметки в 100 м и получить 300 мбар газа можно за 200 лет, то первые 100 мбар могут оказаться в наших руках уже через несколько десятков лет.

Когда температура на значительной территории Марса хотя бы в теплые сезоны поднимется выше точки замерзания воды, большие объемы вмороженной в реголит воды начнут таять и стекать в пустые устья рек. Водяной пар также является эффективным парниковым газом. И, поскольку его давление повысится очень сильно, повторное появление жидкой воды тоже внесет свой вклад в быстрое потепление. Кроме того, сезонное наличие жидкой воды позволит распространиться бактериям, которые будут производить метан и аммиак, увеличивающие парниковый эффект и защищающие планету от солнечного ультрафиолетового излучения. Появятся и зеленые растения, которые начнут процесс насыщения атмосферы кислородом.

Вкратце: наука утверждает, что если мы сможем увеличить температуру на 10 °C или около того, то оживим свой мир. Вот и все. Нужно всего 10 °C глобального потепления, и природа позаботится обо всем остальном. Но как это сделать?

Производство галоуглеродов на Марсе

Самым очевидным способом поднятия температуры на Марсе является строительство заводов по производству галогенуглеродов, являющихся самыми сильными парниковыми газами. Фактически одна из их вариаций — хлорфторуглерод, или ХФУ. Из-за своего сильного содействия парниковому эффекту и влияния на нарушение озонового слоя, он был запрещен на Земле в 1990‑е годы. Тем не менее, аккуратно выбирая галогенуглеродные газы и избегая использования хлора (то есть нужны фторуглероды), мы можем построить защитный озоновый слой в марсианской атмосфере. Самый простой в производстве подобный газ это перфторметан, CF4, также обладающий привлекательной жизнестойкостью (стабилен в течение более 10 000 лет) в верхней атмосфере нашей планеты. Парниковый эффект от использования перфторметана может быть увеличен добавкой небольшого количества других фторуглеродов (наподобие C2F6 и СO8). Они должны заблокировать пропуски в инфракрасном спектре, которые может оставить атмосферное одеяло из одних лишь газов CF4 и CO2.

Таблица 1

В таблице 1 представлен объем такого фторуглеродного коктейля, необходимого марсианской атмосфере для поднятия температуры, а также количество энергии, которую нужно генерировать на Марсе для их производства в течение 20 лет. Если газы живут в атмосфере 100 лет, то для поддержания концентрации фторуглеродов после достижения уровня энергии, приведенного в таблице, понадобится примерно 1/5 от этого ее количества. Как видите, для выполнения плана нам потребуются значительные промышленные мощности — 2–4 гигаватта (1 ГВт = 1000 МВт), если мы хотим построить газовое одеяло относительно быстро. Для Земли это небольшое количество: там 1 ГВт тратится только на то, чтобы обеспечить энергией типичный американский городок с населением в миллион человек. Но это почти вся энергия Марса. Да, нужно время, чтобы увеличить нашу энергетическую мощь и запустить программу на высоких оборотах. Но это не причина, чтобы уже сегодня не продавать ценную землю, основываясь на ее будущей стоимости.

Насыщение атмосферы планеты кислородом

При нагревании планеты ее гидросфера активизируется. Лед растает, превратится в воду, потечет по руслам рек в озера, испарится и вернется снова в виде дождя и снега. Чем быстрее вода войдет в такой круговорот, тем скорее денитрифицирующие бактерии сломают азотные наросты, что увеличит попадание азота в атмосферу, а разрастание растений ускорит производство кислорода. Активация гидросферы также послужит разрушению окисляющих минералов в марсианском реголите, таким образом высвобождая дополнительный кислород. Но достижение нужной для дыхания концентрации кислорода в атмосфере может оказаться трудным делом. Бактерии и примитивные растения могут выжить в атмосфере без кислорода, но более развитая флора требует хотя бы 1 мбар, а человеку нужны все 120 мбар. Хотя в марсианском реголите и есть высшие оксиды и нитраты, которые можно подогреть и получить кислород, такой способ потребует огромных энергетических затрат — около 2 млн ГВт‑лет на каждый миллибар. Это слишком дорого для практического использования — если только мы не уговорим землян заплатить за нас.