Терраформирование Марса

Поверхностная гравитация на Марсе составляет 38% от земной. Неизвестно, достаточно ли этого для того, чтобы предотвратить возникновение проблем со здоровьем людей, которые могут быть связаны с невесомостью[4].

К тому же слабая гравитация (поэтому низкая вторая космическая скорость) Марса, могут значительно усложнить удерживания атмосферы вокруг планеты, если сравнивать её с более массивной Землёй или Венерой[5]. Как Земля, так и Венера, способны удерживать густую атмосферу, несмотря на то, что они подвергаются более интенсивному солнечному ветру, который, как считается, способен разрушать газовые оболочки планет. Поэтому могут оказаться необходимыми постоянные рабочие источники атмосферных газов на Марсе для того, чтобы в течение длительного времени удерживать достаточную плотность атмосферы, необходимую для нормальной жизнедеятельности людей.

У Марса отсутствует магнитосфера, что создаёт дополнительные препятствия, связанные с необходимостью смягчения воздействия солнечной радиации и удерживания атмосферы. Считается, что поля, обнаруженные на Марсе, являются остатками магнитосферы, которая была разрушена в ранние периоды существования планеты.

Отсутствие магнитосферы считается одной из причин того, что атмосфера Марса настолько разрежена. Марсианскими орбитальными аппаратами было обнаружено выбрасывание марсианских атмосферных атомов, которое происходит под воздействием солнечного ветра. Тем не менее, наблюдения Венеры чётко демонстрируют, что нехватка магнитосферы не делает невозможным существование густой атмосферы на планете.

Земля изобилует молекулами воды, поскольку её ионосфера пронизывается магнитосферой. Ионы водорода, присутствующие в ионосфере, движутся очень быстро, несмотря на их малую массу, но они не могут достичь открытого космоса, поскольку траектория их движения отклоняется под воздействием магнитного поля Земли. Венера, напротив, имеет густую атмосферу, но лишь с незначительными следами водяного пара (20 ppm), потому что не имеет магнитного поля. Марсианская атмосфера тоже теряет воду, которая легко пробивается в открытый космос. На Земле дополнительную защиту от разрушения атмосферы обеспечивает озоновый слой. Ультрафиолетовое излучение блокируется ещё до того, как ему может удастся расщепить воду на водород и кислород. Поскольку очень малое количество водных паров достигает тропосферы, а озоновый слой располагается в верхней части стратосферы, очень малое количество молекул воды расщепляется на водород и кислород.

Магнитное поле Земли составляет 31 мкТл. Марс потребовал бы такой же интенсивности магнитного поля, чтобы так же нивелировать влияние солнечного ветра, несмотря на более удалённое расположение относительно Солнца, если сравнивать с расположением Земли. На сегодня не существует технологий для наращивания магнитного поля в планетарном масштабе.

Важность магнитосферы была подвергнута сомнению. В прошлом на Земле часто возникали периоды, в течение которых магнитосфера меняла направление[6] однако жизнь продолжала существовать даже после этого. Густая атмосфера, такая как на Земле, могла бы также обеспечить защиту от солнечной радиации даже при отсутствии магнитосферы[7].

Сейчас на марсианском южном полюсе, а также в составе реголита (грунта) на Марсе есть достаточно двуокиси углерода (CO₂), который, если бы был сублимированный в газовую форму вследствие повышения температуры на планете всего на несколько градусов, смог бы повысить атмосферное давление на 30 кПа[21], что соответствовало бы давлению на высоте вершины Эвереста, где атмосферное давление составляет 33.7 кПа. И хотя люди не смогли бы дышать таким воздухом, само атмосферное давление было бы выше границы Армстронга, а потому нынешняя потребность в костюмах с регуляцией давления стала бы нерелевантной. Фитопланктон также смог бы превращать растворённый CO₂ в кислород, что является очень важным, поскольку, по закону Генри, низкая температура на Марсе приведёт к высокому значению отношения растворённого CO₂ к атмосферному CO₂ в затопленном северном бассейне.

Другой метод заключается в использовании аммиака в качестве мощного парникового газа. Существует вероятность, что большое его количество существует в замороженном виде на карликовых планетах, которые движутся по собственным орбитам в отдалённых областях Солнечной системы. Возможно, будет найден способ транспортировать эти планетоиды и ввести их в атмосферу Марса[22]. Поскольку аммиак (NH₃) по массе состоит в основном из азота, он сможет также обеспечить наличие буферного газа в атмосфере. Поддерживаемые, не слишком разрушительные падения космических тел на Марс поспособствуют повышению температуры и массы атмосферы.

Потребность в наличии буферного газа является препятствием, которое придётся преодолевать любым потенциальным строителям атмосферы. На Земле азот является основным атмосферным компонентом, так как он составляет до 78% атмосферы. Марс потребует подобный компонент, который работал бы как буферный газ, хоть и не обязательно в таком же количественном отношении. Получить необходимое количество азота, аргона или любого другого сравнительно инертного газа довольно сложно.

Другим методом формирования марсианской атмосферы могло бы стать импорт метана или других углеводородов[23][24], которые являются достаточно распространёнными в атмосфере Титана (и на его поверхности). Метан мог бы быть введён в атмосферу Марса, где он послужил бы для усиления парникового эффекта.

Метан (или другие углеводороды) могли бы посодействовать в повышении атмосферного давления. Эти газы также могут быть использованы для производства воды и CO₂ для марсианской атмосферы:

CH₄ + 4 Fe₂O₃ → CO₂ + 2 H₂O + 8 FeO

Эта реакция могла бы быть инициирована под воздействием тепловой энергии или марсианского солнечного ультрафиолетового облучения. Значительные количества продуктов, которые образуются в результате такой реакции (CO₂ и вода) необходимые для фотосинтеза, который должен был бы стать следующим этапом терраформирования.

Рассматривается также импорт водорода, необходимого для трансформации атмосферы и гидросферы Марса[25]. Так, водород мог бы продуцировать химические реакции с оксидом железа(III), который содержится в марсианской почве, в результате чего образовывалась бы вода:

H₂ + Fe₂O₃ → H₂O + 2FeO

В зависимости от уровня диоксида углерода в атмосфере, импорт водорода и реакции с его участием создавали бы тепловую энергию, воду и графит вследствие реакции Боша. А взаимодействие водорода с диоксидом углерода в ходе реакции Сабатье привело бы к образованию метана и воды.

Поскольку для поддержания жизни человеческой популяции нужна долговременная стабильность климата, было предложено использование особо мощных фторсодержащих парниковых газов, которые, возможно, будут включать гексафторид серы или галокарбоны, такие как хлорофторуглерод (CFC) и перфторуглерод (PFC)[26]. Эти газы являются наиболее вероятными кандидатами на искусственное введение в марсианскую атмосферу, поскольку они имеют значительное влияние как парниковые газы, в несколько раз сильнее, чем CO₂. Такое введение может быть выполнено с привлечением сравнительно малых средств путём отправки ракет, нагруженных сжатым CFC-газом, пунктом назначения которых было бы столкновение с поверхностью Марса.[18] Когда бы эти ракеты разбивались о поверхность планеты, они бы выпускали свой груз в атмосферу. Постоянный наплыв таких «CFC-ракет» должен поддерживаться в течение чуть более чем десятилетия, прежде чем атмосфера Марса претерпит химические изменения и станет теплее.

Для того, чтобы сублимировать на южном полюсе ледники с CO₂, потребовалось бы наличие примерно 0.3 микробар CFC-газов в атмосфере Марса. Такое количество эквивалентно массе примерно в 39 миллионов тонн. Это втрое больше, чем общее количество хлорофторуглерода, выработанное на Земле с 1972 до 1992 года, когда производство CFC было запрещено в результате подписания международного договора. Минералогические исследования Марса позволяют утверждать, что элементарный фтор присутствует в общей химической композиции Марса в количестве 32 ppm от массы, тогда как для Земли соответствующая цифра составляет 19.4 ppm[26].

Предложение извлекать фторсодержащие минералы как источник CFC- и PFC-газов поддерживается тем убеждением, что, поскольку наличие на Марсе этих минералов, как предполагается, должно быть таким же, как и на Земле, такой процесс добычи смог бы поддержать производство необходимого количества оптимальных соединений, необходимых для создания парникового эффекта (CF₃SCF₃, CF₃OCF₂OCF₃, CF₃SCF₂SCF₃, CF₃OCF₂NFCF₃, C₁₂F₂₇N). А это, в свою очередь, позволит удерживать температуру на Марсе на «комфортном» уровне. В теории это могло бы стать одним из способов поддержания атмосферы подобной земной, при условии, что такая будет сформирована на Марсе с использованием других методов[26].

Зеркала, изготовленные из тонкой алюминизированной термопластиковой плёнки, могут быть размещены на околомарсианской орбите для повышения общего уровня инсоляции планеты[1]. Таким образом можно было бы направлять солнечный свет на поверхность Марса, тем самым напрямую увеличивая температуру воздуха у поверхности планеты. Такое зеркало могло бы быть расположено как статит, используя свой потенциал солнечного паруса для поддержания неподвижной позиции на орбите относительно Марса — вблизи полюсов, чтобы сублимировать имеющиеся на них ледовые покровы из замёрзшего CO₂, тем самым делая вклад в нагрев атмосферы усилением парникового эффекта.

Ослабление альбедо марсианской поверхности сделало бы использование получаемого им солнечного света более эффективным[27]. Это можно выполнить распределением по поверхности Марса тёмной пыли с его спутников — Фобоса и Деймоса, которые относятся к наиболее чёрным телам Солнечной системы. Альтернативным способом ослабления альбедо могло бы также стать распределение по поверхности тёмных экстремофильных микробных форм жизни, таких как лишайники, водоросли и бактерии. Тогда поверхность впитывала бы больше солнечного света, тем самым способствуя нагреву атмосферы.

Если бы на планете удалось обеспечить рост и размножение водорослей и другой растительной зелёной жизни, это дало бы лишь незначительный вклад в распространении кислорода в атмосфере, которого было бы недостаточно для дыхания людей. Процесс превращения химических элементов для образования кислорода в значительной степени зависит от наличия воды. CO₂ обычно трансформируется в углеводороды[28]. 26 апреля 2012 года учёные сообщили, что в лаборатории симуляции среды (Mars Simulation Laboratory) в Немецком аэрокосмическом центре удалось выявить лишайник, который смог выжить и даже проявил незаурядные способности адаптации в плане фотосинтетической активности во время симуляции марсианской среды, который продолжался 34 дня.[29][30]

Другой способ повышения температуры состоит в направлении небольших астероидов на поверхность Марса. Это может быть выполнено путём использования размещённых в космосе лазеров, которые корректировали бы траектории астероидов, или же кем-либо из других методов, предложенных для решения проблемы защиты Земли от астероидов. Энергия столкновения в этом случае работала бы как источник тепла. Этого тепла, возможно, было бы достаточно для сублимации CO₂, а также, если на этой стадии процесса терраформирования будет присутствовать вода в жидком состоянии, энергия, которая выделяется при падении астероида, могла бы превратить её в водяной пар, который тоже является парниковым газом. Астероиды также можно было бы подбирать по их химическому составу — например, если выбирать астероиды с высоким содержанием аммиака, то вследствие падения аммиак освободится и попадёт в атмосферу в виде ещё одного дополнительного парникового газа. В марсианском грунте могут находиться залежи нитратов[21], попадание астероидов в эти залежи может извлекать дополнительное количество азота и кислорода в атмосферу.