Методы и способы терраформации Марса

Методы и способы терраформации Марса

Белов Алексей Михайлович

ГБОУ школа № 617 Приморского района Санкт-Петербурга, 9л класс

Научный руководитель – учитель физики  Богданова Ирина Викторовна

2015

1)Колонизация и терраформация 

Колонизация предполагает заселение Марса на постоянной основе, когда люди уже живут не вахтами, а длительное время, имеют постоянное занятие и создают семьи. Гипотетически осуществить колонизацию можно даже уже при достигнутом уровне развития техники и технологии. Хотя это и баснословно дорогое предприятие. Для колонизации нужна не только техническая возможность, но цель.

Очевидно, что на Земле всяко найдется хоть сотня энтузиастов готовых жить в экстремальных условиях на далекой планете. Но долго такая колония не просуществует. Для действительно серьезной колонизации нужна цель, ради которой люди будут терпеть неудобства и лишения на очень не гостеприимной планете или очень серьезная причина.

Пока можно только предполагать, что может стать такой целью. Жадность и алчность конкистадоров, стремление все перестроить и освоить, политический интерес, вынужденная мера, бегство от реалий и проблем земной цивилизации – список большой и не полный.

Чисто с практической точки зрения такой целью может стать разработка полезных ископаемых. Марс, очевидно, имел иную геологическую историю, чем Земля. Количество осадочных пород на Марсе намного меньше, чем на земле. Отсутствие в больших количествах свободного кислорода позволяет ожидать на Марсе месторождений самородочных металлов. Было бы замечательно, если бы на Марсе нашлись бы редко встречаются на Земле (лютеций, европий, самарий, и др.). Очень важное значение для будущей колонизации будет иметь открытие богатых месторождений урана – главного сырья внеземной энергетики.

Другой причиной для колонизации Марса могут стать неблагоприятные тенденции в развитии земной цивилизации, которые в отдаленном будущем стимулируют поиск альтернативных Земле мест проживания людей.

Иначе говоря, уже поверхностный анализ указывает на то, что для колонизации Марса имеются достаточно веские причины. Однако будущие потребности развития человеческой цивилизации определят и степень колонизации Марса. Если потребность в колонизации Марса будут минимальной, то все может ограничиться изучением Марса и строительством временных научных баз. Три большой потребности колонизация может стать столь масштабной, что на повестку дня далеких потомков встанет вопрос о терраформации Марса с целью сделать проживание людей на этой планете более комфортным и безопасным.

Здесь может возникнуть ряд вопросов. А возникнет ли в принципе необходимость в терраформации Марса? Может там, на Марсе нет ничего интересного, и особой потребности для переселения туда большого количества людей никогда не будет? Тогда можно будет обойтись небольшими колониями. Ведь кроме Марса есть и другие планеты, и спутники, куда человечество может направить свои усилия. Может достаточно будет построить на Марсе пару-тройку баз с искусственной средой обитания и не затеваться с перестройкой всей планеты?

Не на все поставленные вопросы сейчас можно дать исчерпывающие ответы. Марс выгодно отличается от всех других планет и спутников двумя важными обстоятельствами.

1. Марс находится рядом с Землей, ближе только Луна. При старте с орбиты Земли для достижения Луны требуется сообщить кораблю приращение скорости ΔV = 3.1 км/с, а для достижения Марса  ΔV = 3.6 км/с. Как мы видим с энергетической точки зрения разницы особой нет. Поэтому стоимость килограмма полезного груза доставляемая в район Марса и в район Луны хоть и отличается, но незначительно. Есть только разница во времени перелета, что для материальных ценностей не принципиально.

2. В отличие от Луны и многих спутников и планет на Марсе в принципе можно создать биосферу подобную земной даже при нынешнем уровне развития техники, тогда как для преобразования других небесных объектов потребуются на порядок большие усилия. Например, на Луне создание полноценной атмосферы в масштабах всего спутника невозможно даже в ближайшем будущем в виду отсутствия газообразных веществ. На Марсе такая атмосфера уже есть и требуется только изменить её параметры, есть и на полюсах месторождения замороженных газов, которые могут пополнить атмосферу.

Поэтому наиболее реально, что именно на Марсе в отдаленном будущем наши потомки получат для проживания еще одну достаточно приспособленную для жизни обширную территорию на поверхности планеты.

Площадь поверхности Марса 144 млн. км2 практически в точности равна площади суши на Земле! Даже исключив приполярные и высокогорные области Марса, и учтя, что часть суши в будущем займут марсианские моря, все равно площадь доступная для освоения на Марсе будет сравнима с такими континентами как Евразия или обе Америки с Австралией. Для справки Америка 42 млн. км2, Евразия 64 млн. км2. Даже если пригодной для освоения будет только половина площади поверхности Марса то это составит не менее 72 млн. км2.

Иначе говоря, есть за что бороться. Но прежде надо ответить на вопрос. А каковы физические условия на Марсе и возможна ли вообще терраформация Марса?

2. Физические условия на Марсе

Марс планета, где большую часть времени суток температуры находятся ниже нуля градусов. Жидкой воды нет, в атмосферы водяного пара мало. Иначе Марс очень сухая и холодная планета с разряженной атмосферой на 95% состоящей из углекислого газа. Кроме СО2 в атмосфере Марса есть азот (2.5%) и аргон (1.5%).  Кислорода - 0.1% водяного пара - 0.2%. На полюсах сконцентрированы большие количества льда. Вот только до конца не известно, сколько там водяного и сколько сухого люда. Предполагается наличие вечной мерзлоты. Таким образом, запасы воды на Марсе есть, есть и замерзшая углекислота, которая может наполнить атмосферу и увеличить давление.

Давление соответствующее условной нулевой высоте на поверхности Марса принято 6 мбар (600 Па) или 4.6 мм. рт.ст. Максимальное давление в глубоких депрессиях видимо порядка 10 мбар.

Условия на планете Земля определяющим образом связаны с наличием огромного океана жидкой воды. Температура на Земле определяются не только количеством тепла, поступающим от Солнца и парниковым эффектом, но в значительной степени определяются системой терморегулирования гидросферы и атмосферы. Испарение и конденсация воды выравнивает температуру и в целом поддерживает условия на планете в определенном диапазоне температур. Изменение количества пара в атмосфере в свою очередь управляет парниковым эффектом, но пар собирается в облака, которые экранируют поток солнечной энергии. В общем регулировании участвуют и обширные площади заснеженных пространств зимой. В итоге на Земле действует сложная саморегулирующаяся система.

На Марсе из-за более слабого притяжения уже давно произошла потеря большей части первоначальной атмосферы. Водород, гелий и по большей части азот были потеряны в результате процесса диссипации (убегания) молекул. Часть воды разложилась под действием ультрафиолетового излучения и была также потеряна. Поскольку водород, образовавшийся от распада молекул воды, улетучился в мировое пространство, а кислород был связан пылью и породами, в частности содержащими железо на поверхности планеты. Из-за этого Марс и имеет кроваво красную окраску. В результате потери первичной атмосферы и вымораживания части атмосферных газов атмосфера стала разряженной, парниковый эффект ослаб, усилилось переохлаждение планеты. В итоге часть СО2 и вся вода вымерзли, образовав вечную мерзлоту и полярные шапки.

Впрочем, на Марсе имеют место сезонные явления, когда частично происходит таяние мерзлоты и полярных шапок. Регулирование давления и плотности атмосферы значительно более слабо выражено, чем на Земле и носит ярко выраженный сезонный характер, что связано с таянием полярных шапок. Еще один механизм, управляющий условиями на Марсе - мощные пыльные бури. Во время пыльной бури происходит переохлаждение поверхности планеты, но при этом несколько нагревается атмосфера.

Температура на Марсе меняется так. Вблизи полудня на экваторе темные предметы нагреваются до +20ºС  -  +27ºС, тогда как воздух остается холодным. Утром и вечером температура находится ниже нуля, а ночью под утро может достигнуть -100ºС. Контраст температур на экваторе достигает 130ºС. В средних широтах температура ночью примерно такая же, как и ночью на экваторе, но днем предметы нагреваются только до 0ºС. Поэтому контраст температуры меньше. На полюсе температура может упасть уже до -123º С.

Однако такой климат, если не учитывать ночного понижения температуры ниже -100С близок к тому, что мы наблюдаем в Антарктиде. Самая низкая температура в Антарктиде зафиксирована на станции «Восток» и составила -89.2ºС, а средняя температура на Полюсе недоступности в Антарктиде составляет -57.8ºС, что близко к средней температуре на Марсе (-53ºС). Поскольку люди живут и работают в Антарктиде, то низкая температура не является препятствием для колонизации Марса. Главная причина как указано выше - низкое давление.

Поскольку плюсовые температуры на Марсе достигаются только вблизи полудня и в районе экватора, то существование в глубоких впадинах жидкой воды, скорее из области фантастики. Поскольку ночью она неизбежно замерзнет. Оттаять за короткий промежуток времени днем сможет только тонкий слой. Однако вследствие испарения воды и сублимации льда эта вода перейдет в пар и может оказаться, в конце концов, на полюсе планеты. Явления подобные гейзерам на Земле на Марсе видимо, не возможны, так как толщина коры порядка 100 км (на Земле 3-10 раз меньше), а наличие больших подземных водоемов, которые могли бы питать гейзеры пока можно предположить только гипотетически. 

Можно допустить, что в глубоких впадинах коры, где давление выше тройной точки воды может выпадать некоторое количество влаги в виде росы. На Марсе существуют и облака, хотя это достаточно редкое явление, если сравнивать с Землей. В телескоп видны только самые большие облака, но наблюдения с космических аппаратов показали, что на Марсе встречаются облака самых разнообразных форм и видов: перистые, волнистые, подветренные (вблизи крупных гор и под склонами больших кратеров, в местах, защищенных от ветра). Над низинами - каньонами, долинами - и на дне кратеров в холодное время суток часто стоят туманы. Из-за низкого давления и температуры на Марсе водяной пар находится вблизи состояния насыщения. Так при температуре 0ºСдавление насыщенного водяного пара как раз 613 Па, что соответствует давлению на Марсе. Зимой 1979 г. в районе посадки "Викинга-2" выпал тонкий слой снега, который пролежал несколько месяцев.

В зимнее время полярные шапки занимают значительную площадь полушария планеты. Граница северной полярной шапки может удалиться от полюса на треть расстояния до экватора, а граница южной шапки преодолевает половину этого расстояния. Такая разница вызвана тем, что в северном полушарии зима наступает, когда Марс проходит через перигелий своей орбиты, а в южном - когда через афелий. Из-за этого зима в южном полушарии холоднее, чем в северном. И продолжительность каждого из четырех марсианских сезонов разнится в зависимости от его удаления от Солнца. А потому в марсианском северном полушарии зима коротка и относительно «умеренна», а лето длинное, но прохладное. В южном полушарии наоборот - лето короткое и относительно теплое, а зима длинная и холодная

Более точные современные наземные и космические измерения обнаружили в составе марсианского льда также замерзший углекислый газ. Летом он испаряется и поступает в атмосферу. Ветры переносят его к противоположной полярной шапке, где он снова замерзает. Этим круговоротом углекислого газа и разными размерами полярных шапок объясняется непостоянство давления марсианской атмосферы.

Видимо в далекие времена давление на Марсе было выше, и вода могла существовать в виде отрытых водоемов, может даже океанов. Но по мере потери атмосферы парниковый эффект слабел и средние температуры на Марсе сдвинулась ниже нуля градусов. Тогда стал необратимым процесс вымораживания воды, которая концентрировалась в гигантских холодильниках на полюсах планеты.

3. Марсианские колонии

Можно предположить, что на Марсе в разное время будут существовать колонии двух типов. Первичные колонии до терраформации Марса и вторичные колонии, которые заселят Марс уже в ходе или после терраформации.

Колонии первого типа, очевидно, будут жить под поверхностью Марса или построят из местных материалов сооружения, защищающие их от воздействия внешней среды. Работа вне искусственных сооружений будет возможна либо в скафандрах или дистанционно из герметичной кабины самоходных или стационарных механизмов. Продукты питания придется получать из оранжереи с искусственной атмосферой. Колония этого типа живет только в пределах искусственно созданной среды обитания. Поверхность планеты используется только для добычи полезных ископаемых или иной промышленной или научной деятельности. Важное место в деятельности такой колонии займет производство продуктов, кислорода, топлива, добыча полезных ископаемых, строительство и обустройство подземных сооружений, геологическая разведка.

Население колонии первого типа будет колебаться от нескольких десятков людей до нескольких сотен человек. Количество самих колоний на Марсе будет определяться производственной потребностью. Фактически колонии такого типа будут самодостаточными образованиями, живущими квази изолированно от остальных марсианских колоний.

Для обеспечения колоний на Земле появится новый тип технологии и производства - разработка и создания промышленных и технологических циклов замкнутого типа ориентированных на использование марсианских ресурсов. По некоторым соображениям часть колоний в первую очередь разместятся в низинных частях Марса вблизи экваториальной зоны. Разработка полезных ископаемых будет вестись, непосредственно рядом с колонией. В последствии эти низины могут стать марсианскими морями. Однако на дне морей все полезные ископаемые к тому времени уже будут добыты. Правда в отдаленной перспективе придется оставить и ранее построенные колонии. Учитывая, что до того момента, когда произойдет заполнение низин водой, может пройти не одна сотня или даже тысяча лет, то это обстоятельство вряд ли будет играть какую-то роль.

После этапа первичной разведки и заселения Марса можно будет заняться его терраформированием. Это длительный этап и все это время на Марсе будут существовать колонии первого типа.

4. Перспективы терраформации

Если осуществить первый этап терраформации, то на Марсе, могут появиться колонии уже второго типа. Давление атмосферы и температура на поверхности станет выше, а это качественно изменит окружающий мир. В небе появятся более густые облака, иногда сможет идти дождь, чаще будет идти снег, появятся временные водоемы, ручьи, реки и родники.

Как только особые растения смогут расти во внешней среде, на Марсе будут активно высаживать специфические «марсианские» растения. В начале это могут быть специфические мхи или лишайники прирабатывающие СО2 из атмосферы под действие солнечного света в кислород и органические вещества, активно используя в этом процессе минералы марсианского грунта. Со временем появятся и более сложные виды организмов, которые заселят целые пространства подобно альпийским лугам или тундровым полям.

На Земле для сложных растений нужны насекомые, значит могут появятся и особые формы марсианских насекомых. Плотность будущей марсианской атмосферы может позволить таким насекомым даже летать. Возможно и появление искусственно созданных методами генной инженерии животных способных жить в атмосфере Марса. Все это многообразие биологического мира необходимо для создания полноценной саморегулирующейся биосферы.

Постепенно начнет меняться состав атмосферы. Концентрация углекислоты будет уменьшаться, но появится больше свободного кислорода. Возрастет средняя температура и давление. На поверхности Марса появятся открытые водоемы, возможно моря и океаны. Люди смогут работать на поверхности без герметичных скафандров, однако им придется подобно аквалангистам использовать специальные дыхательные приборы. В это период на Марсе будет создана биосфера в масштабах всей планеты. 

Наконец, возможно наступление и третьего этапа, когда Марс превратится в младшего «брата» Земли. Люди смогут жить на поверхности без всяких приборов для дыхания. Плотность атмосферы будет такой же, как на плоскогорьях Мексики в горах Перу или Гималаев. И окружающие пейзажи будут во многом похожи на условия высокогорья на Земле. В отличие от высокогорья Земли на Марсе будут расти альпийские луга с высокими травами устойчивые к ветрам на возвышенностях, а в низинах высокие деревья ведь на Марсе меньше сила тяжести. Однако до этого этапа еще очень и очень далеко.

Учитывая все выше сказанное можно ожидать, что исходя из высших интересов развития земной цивилизации, Объеденные нации могут начать процесс терраформирования планеты Марс уже после завершения первого этапа его разведки.

Для успешной терраформации Марса требуется решить ряд сложных проблем. Первая и самая главная проблема. В настоящее время на Марсе слишком низкое давление. Среднее давление на поверхности Марса принято 6 мбар (600 Па) или 4.6 мм. рт.ст. Максимальное давление в глубоких депрессиях видимо порядка 10 мбар. Для существования земных форм жизни это слишком низкое давление.

5. Зачем поднимать давление на Марсе?

Причины для повышения давления очень существенные. При столь низком давлении, которое сейчас существует на Марсе, вода не может находиться в жидком состоянии. Это означает, что жизнь земного типа, основанная на водном растворе биологически активных веществ в клетках, не сможет существовать на Марсе. Вода в клетках просто будет вскипать. Конечно можно создать такие формы живого, которые смогут жить и в таких условиях, но есть другие причины. Поэтому первая задача терраформации достичь давления, при котором вода, не вскипая, будет находиться на поверхности Марса в жидком состоянии.

Другая важная причина - потребность создания для человека как можно более комфортных условий проживания. Разреженная атмосфера на Марсе создает больше проблем, чем вакуум на Луне. В первую очередь это связано с обильем пыли и большей возможностью для пыли переноситься, и попадать туда, куда не нужно в условиях разреженной атмосферы. Пыль будет выводить из строя механизмы, скафандры и т.д. Если на Марсе увеличить давление, там можно будет рассадить растения, которые свяжут пыль, будут выпадать осадки, а в грунте будет сохраняться влага (летом) или будет лежать снег (зимой), которые ограничат пылевые эффекты. Наличие влаги приведет к уплотнению грунта, сдуваться будет тонкий-тонкий поверхностный слой. При более высокой плотности атмосферы ослабнут и сами пыльные бури.

Кроме того, большее количество парниковых газов поднимет среднюю температуру, станет теплее, что не маловажно для производственной деятельности и выживания. Большая плотность атмосферы уменьшит отдачу тепла с поверхности в ночное время и увеличит ночные температуры, и снизит общий перепад температур. Большая плотность атмосферы ослабит уровень радиоактивного облучения на поверхности планеты и уровень ультрафиолета.

Наконец, есть еще одна причина. Она связана с выживанием людей в аварийных ситуациях. Аварийная ситуация в первую очередь связана с разгерметизацией скафандров или жилых объемов. При нынешнем низком давлении для ликвидации аварии у людей есть от нескольких секунд до нескольких минут. Все это не может не сдерживать колонизацию. Поэтому первой целью терраформации должно быть создание таких условий, когда человек сможет обходиться на Марсе без скафандра, только с дыхательным прибором или даже как отдаленная конечная цель создать условия для дыхания марсианским воздухом.

6. Пределы жизни

Живое земного типа может существовать только в определенных диапазонах физических параметров.

«Условия пригодности для обитания флоры и фауны» по Мак Кею

В строке 6 дана прибавка давления которую даст водяной пар при температуре 15ºС в замкнутом помещении. В строке 7 приведен состав минимальной атмосферы, которая годиться для дыхания растениями. В качестве буфера может быть использовании азот, аргон или метан.

Как видно из приведенной таблицы для растений необходимо давление выше 75 мм. рт. ст., для животных выше 37.6 мм. рт. ст. (нижний предел за которым наступает летальный исход). Но для дыхания животным необходимо значительно более высокое давление кислорода. Для растений требуется давление кислорода выше 0.75 мм рт. ст., тогда как для животных свыше 188 мм. рт. ст.

Если рассматривать атмосферу необходимую только для растений (строка 7), то оказывается, что получить такой состав несложно. Достаточно удалить из нынешней атмосферы Марсе СО2 и необходимый объем полученного газа сжать до необходимого давления в 75 мм. рт.ст. В результате такой марсианский воздух будет на 96% состоять из азота и аргона и будет содержать 2% кислорода. В такой воздух необходимо добавить не менее 0.01%СО2 и нагреть до 15ºС, а парциальное давление водяного пара установится само собой в зависимости от режима полива. Так получается «безуглекислотная» атмосфера, которая вполне годится для растений в оранжереях.

Для проживания животных  и людей необходимо обогащать безуглекислотный марсианский воздух кислородом. До парциального давления хотя бы в 188 мм. рт.ст. Одновременно нужно поднять и парциальное давление азота и аргона, чтобы довести соотношение кислорода и буферных газов примерно до соотношения в земной атмосфере. С задачей насыщения воздуха кислородом справятся растения или водоросли типа хлореллы. В дальнейшем можно замкнуть искусственную биосферу. Необходимо только точно соблюсти пропорцию между числом животных и биомассой растений. Но все это возможно только в замкнутых помещениях или в условиях существования колоний первого типа.

7. Выживание при пониженном давлении

Для колонистов будет актуальной проблема разгерметизации помещений и в первую очередь скафандров. При разгерметизации в условиях низкого внешнего давления основная опасность связана с ударной декомпрессией в случае серьезного повреждения скафандра. При дыхании чистым кислородом внутри скафандра давление будет не ниже 188 мм рт.ст. А в случае дыхания газовой смесью еще и выше.

Опыты по декомпрессии проводились на животных. Вот как их описывает астронавт Митчел. "В течение 1 сек давление в барокамере, где находились животные, понижали со 180 мм рт. ст. до менее чем 2 ммрт. ст. При столь низком давлении собаки находились в течение 5—10 сек, а шимпанзе — до 150 сек. И собаки и шимпанзе через 9—12 с. после начала декомпрессии впадали в шоковое состояние. В этот момент у них можно было наблюдать «раздутие» тел, конвульсии, затрудненное дыхание и общее спастическое состояние мышц. И если у 18—20% собак после 120—180 с. декомпрессии наступала смерть, то у всех шимпанзе после декомпрессии в течение 150 с. восстанавливалось нормальное состояние без каких-либо последствий для нервной системы. После рекомпрессии (повышения давления до нормального) они начинали самопроизвольно дышать. Следовательно, их сердечно-сосудистая система функционировала еще достаточно хорошо, чтобы восстановить нормальное кровяное давление.

Нескольких шимпанзе подвергли декомпрессии в атмосфере чистого кислорода, давление в барокамере снижалось в течение 0,8 сек со 179 до 2 мм рт.ст., животных выдерживали при этом низком давлении 210 сек. После рекомпрессии, производившейся постепенно, шимпанзе поправлялись и были способны выполнять сложные задания, которым их прежде обучили. Повторные эксперименты неизменно давали те же результаты. Это свидетельствует о том, что человек тоже способен переносить экстремально низкие давления лучше, чем мы предполагаем. Вполне вероятно, что космонавта, находящегося за пределами космического корабля, можно будет спасти, если его скафандр неожиданно получит повреждения и в нем вследствие утечки начнет резко понижаться давление воздуха или кислорода".

На Марсе сейчас давление 4.6 мм рт.ст. Это вдвое больше, чем  в описанных опытах, но этого все равно мало. При резком падении давления в скафандре у человека на Марсе остается всего 10 - 15 с. до потери сознания. Однако своевременная помощь, оказанная товарищами в течение 1 - 3 минут, способна спасти человека. Для этого необходима быстрая рекомпрессия до давления хотя бы 200 мм рт.ст.

В условиях низкого давлении или вакуума в начале наступает гипоксия, связанная с нехваткой кислорода и человек за 10 с. теряет сознание. Ныряльщик под водой использует запас кислорода в легких, здесь же такой возможности нет. Так как человек в вакууме должен выдохнуть воздух из легких, чтобы предотвратить разрыв внутренних тканей.

Следующий опасный процесс связан с кипением жидкостей в первую очередь крови, кровоток практически прекращается. Наступает фибриляция сердца и человек может уже в этот момент умереть от остановки сердца. После остановки сердца реанимация уже практически невозможна, так как остановка сердца происходит по причине необратимых изменений в системе кровообращения. Из-за выделения газов во внутренних органах тело раздувается. Частично это раздутие можно компенсировать специальным костюмом, его используют пилоты стратосферных самолетов. Однако у пилота на высоте 15 км есть всего 10 с., чтобы принять решение на резкое снижение высоты.

В одном из полетов при разгерметизации перчатки на высоте 12 км, испытатель совершавший подъем на воздушном шаре достиг высоты в 30 км (10 мм рт.ст). Его рука раздулась вдвое по сравнению с обычным состоянием, однако он смог завершить эксперимент успешно, а после возвращения на землю рука вернулась в норму через несколько часов. Дело в том, что сосуды и капилляры имеют гибкость, которая компенсирует падение внешнего давления.

Во время полета Шаттла STS-37 имело место повреждение перчатки одного из астронавтов. Однако наддув скафандра, и уплотнение из-за прижима ладони к поврежденному месту не привели к взрывной декомпрессии. Астронавт, будучи в состоянии возбуждения от выхода в открытый космос даже не заметил, что у него пробита перчатка. Он отделался пустяковой царапиной.

Поэтому при аварии скафандра главная угроза состоит в том, что человеку из-за утечки воздуха нечем дышать, перестает снабжаться кислородом мозг, а не от низкого давления. Для того чтобы избежать разрыва тканей в легких человек в момент аварии в условиях Марса, связанной со взрывной декомпрессией должен максимально выдохнуть воздух и задержать дыхание с пустыми легкими. Надолго будет сделать трудно, так как инстинктивно человека будет одолевать желание вдохнуть. Но вдыхать воздух Марса опасно. Избыток углекислоты может привести к отравлению организма. Хотя из разреженной атмосферы видимо не удастся вдохнуть сколько-нибудь значительное количество углекислого газа. Человек потеряет сознание раньше, чем атмосфера Марса наполнит поврежденный скафандр. Остановка дыхания предотвратит дальнейшее проникновение марсианского воздуха в организм пострадавшего.

Поэтому при наличие внешнего давления в несколько десятков мм. рт.ст. все эти проблемы будут существенно ослаблены. В этом случае для компенсации падения давления и раздутия кровеносной системы можно применить специальный компенсирующий костюм, подобный тем, что применялись в высотной авиации. Наличие компенсирующего костюма и кислородной маски сделает возможным выживание человека даже с поврежденным скафандром. Здесь уже большую опасность может представлять переохлаждение или отравление СО2 при наличие плохого прилегания маски к лицу и подсоса газа извне. В этом случае речь уже не идет о секундах до фатального исхода, что сделает многие аварийные случаи менее опасными.

8. Возможность и масштаб реконструкции атмосферы

Насколько нужно поднять давление на Марсе, чтобы человек мог обходиться без скафандра?

Тут есть два варианта.

1. Дыхание через кислородную маску.

2. Непосредственное дыхание марсианским воздухом.

В качестве критерия можно взять следующий фактор. Жидкости в организме находятся при температуре 37ºС. Кипению воды при температуре в 40ºС соответствует давление 55 мм рт.ст., что на Земле соответствует высоте 18 км. Таким образом, давление окружающей среды в любом случае быть не ниже 55 мм рт.ст.

Следует различать два случая. Случай пребывания в условиях марсианской атмосферы, вне жилых помещений без скафандра и случай пребывания в оранжереях и подсобных помещениях, где атмосфера отличается от стандартной. Эти случаи отличаются только составом атмосферы, поскольку в специальных помещениях она будет искусственной.

Пребывание при пониженном давлении предполагает совершение движений и работы, а не просто выживание. Во время восхождения альпинистов на вершину совершается тяжелая работа. Наибольшая высота, на которой люди активно работали на Земле соответствует высоте 8.8 км (Эверест). Альпинисты на такой высоте могут обходиться без кислородной маски, но тяжелая работа и длительное пребывание на такой высоте требует обязательного применения кислородной маски. Выжить на такой высоте можно, только совершая минимум движений. Таким образом, человек может жить при давлении соответствующем высоте около 9 км. На такой высоте давление воздуха всего 230 мм рт.ст. или в 3 раза меньше, чем на равнине. Видимо чуть более чем в три раза меньше и содержание кислорода. Примем парциальное давление кислорода на высоте в 9 км 55 мм рт.ст.

Итак, если бы атмосфера Марса состояла бы из чистого кислорода достаточно было бы давления в 55 мм рт.ст. При таком давлении вода уже не вскипает при температуре человеческого тела и кислорода должно хватить для простого поддержания жизненных функций. Однако минимальным считается давление чистого кислорода порядка 180 мм рт. ст. Чисто кислородную атмосферу на Марсе можно создать только в замкнутом объеме жилого помещения или скафандра.

Как показано выше для оранжерей достаточно будет создать искусственную атмосферу с давлением в 75 и более мм. рт.ст. и минимальным содержанием СО2, что позволит работать в таких условиях без скафандра, а только с кислородной маской. Понятно, что это минимальное требование для жизни растений.

Создание больших площадей оранжерей или лучше назвать их теплицами потребует больших объемов капитального строительства. Поскольку численность колонии связана с общей потребной площадью теплицы (оранжереи), а это определяет объем строительных работ, что в свою очередь связано с  составом атмосферы и внутренним давлением. Более подробно об этом рассказано в разделе о строительстве на Марсе.  Поэтому не обязательно состав атмосферы и давление в нежилых помещениях будет такой же как и в жилых помещениях.

Предположим с помощью растений удастся поднять содержание кислорода в атмосфере Марса до парциального давления превышающего 55 мм рт.ст. Очевидно, что из чистого кислорода пусть даже при низком давлении атмосфера состоять не может. Высокая концентрация кислорода не просто опасна, она и не возможна, так как кислород неизбежно будет связываться в результате химических реакций. Для ограничения этого процесса нужен буферный газ. Роль такого буферного газа на Земле выполняет азот. В условиях Марса таким буферным газом может быть тот же азот и аргон. В качестве буферного газа в небольших количествах в атмосфере может содержаться и метан.

Создать парциальное давление кислорода в атмосфере Марса выше 55 мм рт. ст. это только одна часть задачи терраформации. Другая проблема наличие СО2. Известно, что превышение 4% СО2 в воздухе приводит к отравлению людей и животных. Поэтому в идеальном случае СО2 в атмосфере Марса не должно быть больше 4%. Поэтому главная проблема окончательного этапа терраформации даже не проблема создание кислородной атмосферы, а проблема связывания избытка углекислоты и наполнения атмосферы взамен углекислоты буферным газом.

В настоящее время в атмосфере Марса содержится 95% СО2, но даже если из всей углекислоты выделить кислород, его будет мало, всего 3 ммрт.ст., а необходимо как минимум >55 мм рт.ст. Следовательно для обеспечение минимума по кислороду нужно выделить из полярных шапок, освободить из окислов или доставить извне более чем десятикратный объем газов по сравнению с тем, что ныне находится в атмосфере Марса. Потом это газ содержащий много СО2 нужно переработать и очистить. Это уже работа для растений, рассчитанная на сотни лет.

Но и этого мало. Надо где-то взять буферный газ, поскольку своих запасов азота или аргона на Марсе крайне мало.

На Земле большие объемы СО2 из атмосферы растворяет океан. Для Марса этот путь не эффективен. Газов и так мало. Растворение СО2 в марсианском океане приведет только к снижению общего давления. Снижение давления и содержания СО2 приведет к уменьшению парникового эффекта, начнется новый ледниковый период. Все опять замерзнет. Правда, растворенный в водоемах СО2 водоросли могут переработать в кислород, как это они делают на Земле. Наличие же паров воды в атмосфере поддержит парниковый эффект, но больше пара в атмосфере появится, только если средняя температура будет выше. Получается замкнутый круг или иначе саморегулирующаяся система.

Поводя итоги можно сделать выводы. На Марсе теоретически возможно создать условия для жизни там земных растений, а возможно и некоторых насекомых. Для этого необходимо поднять давление до 75 мм. рт.ст. (примерно в 15 раз) и температуру чуть выше нуля. Такое давление позволит и человеку в специальном костюме и кислородной маске некоторое время, а возможно и длительное время пребывать на Марсе без скафандра. На Земле такое давление соответствует высоте в 16 км.

Однако, это возможно при достаточно больших запасах замерзшей углекислоты, которую следует испарить в результате техногенной деятельности. Если углекислоты недостаточно, то на Марс придется доставлять газы извне, что сделает терраформацию очень длительной и очень сложной задачей.

Как альтернатива – создание специфических растений или микроорганизмов способных выживать в марсианских условиях и способных постепенно преобразовывать атмосферу и грунт в нужном для дальнейшей терраформации направлении.

Понятно, при доставке на Марс необходимых масс газов можно создать атмосферу любого состава, но это поистине титаническая работа.

Грубо оценим необходимый минимум для выживания людей без дыхательных приборов на поверхности Марса. Пусть парциальное давление кислорода хотя бы 55 мм рт.ст. Давление буферного газа в два – три раза больше или 150 мм. рт.ст. Пусть, это смесь азота, аргона и возможно метана.

Всего давление такой атмосферы примерно 200 мм рт.ст., что очень близко к давлению на Эвересте. Всю углекислоту связали растения и остаточная концентрация СО2 пусть не больше 1-2%.

Примерный состав: 25% - О2, 30% - азот, 40% - аргон, 2 % - метан и 2% - СО2. Наверно таким воздухом можно дышать. Соотношение буферных газов может быть иным.

Сейчас суммарный объем газов в атмосфере Марса обеспечивает давление в 4.6 мм рт.ст. или в почти в 40 раз меньше. Иначе, для создания подходящей для выживания (не проживания!) атмосферы на Марс надо испарить из полярных шапок или привести извне примерно 40 объемов нынешней атмосферы. Оценка грубая, поскольку давление зависит от температуры и при более высокой температуре потребный объем будет меньше. Примерно 30 объемов.

Тем не менее, объемы огромные. Поэтому полная терраформация Марса дело очень и очень отдаленного будущего.

Более реально только повышение давления и температуры выше критического давления, соответствующего тройной точке воды.

9. Роль воды в регулировании климата на Марсе

В целом связь между состоянием воды и условиями на планетах земной группы иллюстрирует приводимая здесь диаграмма состояния воды. Напомню, поскольку вода может существовать в трех фазах (лед, вода, пар), а температуры плавления и кипения воды зависят от давления, то график состояния воды имеет вид двурогой кривой. При температурах ниже 0ºС (левая часть графика) вода находится в виде льда или пара. При температура выше 0ºС (правая часть графика) вода находится или в жидком состоянии или в виде пара. Только при давлении выше 610 па (4.58 мм рт.ст.) вода может существовать в жидком виде. Поэтому точка, где вода может одновременно существовать и во всех трех фазах имеет координаты (р = 610.6 Па; t = +0.01С).

На графике жирными линиями, оранжевая - Марс, синяя - Земля, для Венеры красным квадратом указано нынешние условия на планетах земной группы. Прямоугольник под линией показывает диапазон давлений и температур с учетом рельефа планеты. На Марсе существуют более высокие горы, а впадины на Земле заполнены океаном, поэтому высоте прямоугольников разная. На Венере условия слабо зависят от высоты и широты на планете, поэтому они представлены маленьким квадратом. Конечные состояния после  терраформации для Венеры и Марса показаны стрелками.

Совпадение оранжевой полоски с нижней стороной прямоугольника как раз и означают, что в конце терраформации условия на Марсе должны соответствовать условиям на Земле высоко в горах. На Венере скорее всего и температура и давление будет выше, чем на Земле, поэтому конечное состояние показано выше.

10. Инженерия атмосферы Марса

Для Венеры нужно уменьшить давление и соответственно плотность атмосферы, что можно сделать только одним способом - убрать большую часть атмосферных газов. Удалить газы из атмосферы Венеры можно, либо рассеяв их в мировом пространстве, что весьма расточительно, либо связав их с породами в нелетучие химические соединения. Терраформация Венеры рассмотрена отдельно и здесь Венера упомянута для сравнения, и учитывая, что на некоторых этапах терраформация Марса и Венеры могут идти параллельно.

У терраформации Марса иная проблема. Тут надо наоборот увеличить количество газов в атмосфере. Сделать это можно двумя способами. Либо растопить льды и высвободить газы из грунта, либо доставить колоссальные объемы газов с других планет. Казалось бы растопить льды проще. Но есть проблема. Мы еще не знаем полного объема льда и не знаем его состава. Если лед на Марсе преимущественно состоит из водяного льда, то наполнить атмосферу будет нечем. Водяной пар не наполнит атмосферу. Тогда придется доставлять газы извне.

Часто предлагают бомбардировать Марс кометами. Однако это не может кардинально решить проблему. По крайней мере, комет пролетающих во внутренней части Солнечной системы не так и много. Не известно, сколько астероидов в поясе астероидов состоят из льда.

Можно ли на это рассчитывать? Перегонять кометы из пояса Койпера? Пока при нынешнем уровне развития техники это выглядит слишком фантастично. Но проблема в другом. Водяной лед не может поднять давление на планете. Тут нужны иные газы, такие как углекислый газ, метан, аргон, азот, аммиак, этан, ацетилен.

Сейчас средняя температура Земли +15ºС, а средняя температура Марса -53ºС. Среднее давление на Марсе чуть ниже или очень близко к давлению соответствующего тройной точке. Поэтому на Марсе не может существовать вода в жидком виде, а только в виде льда или пара. Хотя в глубоких впадинах давление может быть чуть выше тройной точки до 1000 Па и там вода может при плюсовых температурах находиться в виде жидкости. В настоящее время образование значительных объемов жидкой воды может реализоваться скорее случайно, например, при вытекании подземных вод или как результат таяния вечной мерзлоты.

Близость давления на Марсе к тройной точке воды косвенно указывает на то, что полярные шапки состоят по большей части из воды. Тем более что при существующем на Марсе давлении даже на полюсах температура несколько не достигает температуры замерзания углекислоты. Отсюда следует, что по большей части шапки Марса состоят из льда. Для будущих колонистов Марса это приятная новость. Но для наполнения атмосферы требуется выделить много газов. Поэтому вопрос о количестве замерзшей углекислоты в полярных шапках является ключевым для дальнейшей судьбы планеты. Если в твердом виде на Марсе имеются достаточные запасы углекислоты, то разогрев планеты в результате техногенной деятельности может поднять давление выше давления соответствующего тройной точке, тогда на Марсе возможно таяние ледников, появление водоемов с водой и в конце концов существование жизни земного типа на поверхности планеты. В противном случае разогрев полярных шапок не увеличит давления на планете. Поскольку вода легко претерпевает фазовый переход, особенно если этому благоприятствует температуры внешней среды (около 0ºС), то поднять содержание воды в атмосфере и таким образом увеличить давление не возможно.

Потому вся надежда дальнейшей терраформации Марса может быть связана с наличием в составе полярных шапок достаточного количества замерзшей углекислоты.

Конечно, можно допустить, что в далекие времена, когда еще давление на Марсе было выше, углекислота замерзала при более высокой температуре. Допускается, что давление на Марсе могло достигать 1 - 3 земных атмосфер. Например, при нормальном давлении углекислота замерзает при температуре -56.6ºС. До такой температуры охлаждается полюса Земли, а на Марсе было еще холоднее. Учитывая, что основным компонентом атмосферы является именно СО2, то следует предположить, что СО2  вперемешку с Н2О образует полярные шапки Марса. Углекислота в отличие от воды испаряется и замерзает с меньшими затратами энергии. Но в смеси с обычным льдом такой процесс сильно замедляется. Поэтому в глубине полярные шапки могут содержать значительное количество углекислоты.

В какой-то момент давление на Марсе снизилось настолько, что процесс вымерзания углекислоты прекратился. Состояние атмосферы стабилизировалось. Остался только процесс потери атмосферы вследствие убегания молекул в космос. За миллионы лет Марс растерял значительную часть своей атмосферы, в частности, все легкие газы и азот.

11. Разогрев полярных шапок

Первым этапом терраформации станет разогрев полярных шапок. Самое простое и очевидное решение использовать для этих целей солнечную энергию, отражаемую орбитальным зеркалом. Для этого предварительного нагрева предлагается и два других метода: сброс нескольких астероидов содержащих аммиак, производство парниковых газов на марсианских заводах.

Орбитальное зеркало. Для разогрева полярных шапок требуется отразить с помощью гигантского зеркала часть солнечной энергии на направить её в область полярных шапок. Солнечная постоянная — суммарный поток солнечного излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы. По данным внеатмосферных измерений солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м². Солнечная постоянная на орбите Марса составляет 43% от солнечной постоянной на орбите Земли. Это не мало и составляет примерно 0.58 кват на каждом квадратном метре.

На Марсе, так же как и на Земле, зимой на одном из полюсов наступает полярная ночь. В летнее время солнце поднимается выше, угол падения лучей больше и в районе полярной шапки поверхность нагревается, и шапка частично тает. Однако испаряющиеся газы переносятся в противоположное полушарие, где в это время царит зима, и снова конденсируются. Поэтому для решения задач терраформации более актуальным является подогрев именно зимнего полушария. 

Не лишено смыла и прогрев поверхности Марса не только в полярных районах, так как под слоем песка может быть вечная мерзлота. Однако такой разогрев вечной мерзлоты с помощью концентрации солнечных лучей будет мало эффективным.

Расположив зеркало с противоположной стороны относительно солнца как раз и можно направлять солнечные лучи в район полярной шапки, где как раз наступает зима. Проблему представляет то, что зеркало должно вращаться по орбите вокруг планеты. Некоторые ученые предлагают найти для зеркала относительно стабильную точку. В качестве такой точки предлагается расположить зеркало на расстоянии 214 тыс км. от поверхности Марса. Здесь сила притяжения будет уравновешена силой давления солнечного света. Основной вывод авторов этой идеи такой, что требуется поднять температуру примерно на 4 градуса, тогда начнет таять полярная шапка, нагрев планеты высвободит газ адсорбированный в реголите и все вместе это поднимет давление до 500 - 1000 мбар. Оптимистично, не так ли, учитывая, что сейчас давление всего 6 -10мбар.

Интересно было бы узнать, где авторы возьмут 200 000 тонн материалов для создания такого зеркала?

12. Создание примитивной биосферы

Следующим этапом после подъема давления хотя бы в два - три раза будет заселение Марса живыми организмами. Наверно можно найти земные микроорганизмы способные выжить в условиях Марса или вывести таковые методами генной инженерии. Определенным подтверждением такой возможности стали недавно обнаруженные на Земле на глубине 200 м микроорганизмы - метаногены, питающиеся водородом и дышащие углекислым газом. Специально же проведенный учеными эксперимент доказал, что подобные микроорганизмы могли бы выжить и в суровых марсианских условиях.

Если бы давление на Марсе превосходило нынешнее в несколько раз, там могли бы существовать простые организмы типа водорослей или лишайников. Однако это должны быть растения способные противостоять ультрафиолетовому излучению. Ультрафиолетовое излучение можно поглотить внешней "корой" на основе углеродной органики или на основе неорганических материалов кремний-кальциевой-алюминий-кислородно-углеродной оболочкой по типу того, что на основе кальцита создают кораллы или моллюски. Важно, что при давлении  выше тройной точки на Марсе уже во многих местах будет выпадать роса, которую смогут поглощать растения. Кроме того растения могут поглощать влагу даже из атмосферы, так поступают некоторые растения выживающие в земных пустынях. Однако жизнь на основе воды на Марсе еще долго будет невозможной. Так как вода может замерзнуть внутри организма. Однако эту проблему можно преодолеть, если растения будут использовать для метаболизма не воду как таковую, а некие растворы типа антифриза, которые не будут замерзать при отрицательных температурах. 

Существует так же возможность выживания на Марсе живых существ, не использующих воду. Среди земных насекомых есть такие виды моли, которые не содержат в своем организме воду.

Однако основные задачи, которые будет решаться с помощью марсианских растений, будут следующие. Преобразование атмосферы и насыщение её кислородом, преобразование грунта в почву, связывание почвы. Сильные пыльные бури возникают на Марсе из-за того, что в условиях низкой тяжести мелкая пыль легко поднимается в атмосферу. Если бы грунт был чуть влажный, а на грунте росли бы растения, выдувание пыли в атмосферу уменьшилось бы в разы. Напомню, что при пыльных бурях поверхность сильно остывает, поэтому для будущего Марса пыльные бури явление негативное.

Список используемой литературы:

http://su0.ru/HpWP

http://www.mars-one.com/

http://su0.ru/G21r

http://su0.ru/KbsU

http://marsmeta.narod.ru/mars/terraform.html