2019 subscribers

Как вырастить на Марсе экваториальные дождевые леса? Ещё один проект терраформирования

1,8k full reads
4,2k story viewsUnique page visitors
1,8k read the story to the endThat's 43% of the total page views
8,5 minutes — average reading time

Вообще, если задумываться о самом простом способе терраформирования Марса, то нужно, прежде всего, найти какой-то ключевой аспект в этом процессе - и от него уже "плясать".

В общем-то, он очевиден: на Марсе холодно. Отсюда значительная часть сложностей. Вторая по значимости проблема - отсутствие кислородной атмосферы. Хорошо бы как-то решить их обе одновременно.

Исходя из этого, напрашивается ещё один проект терраформирования. Не без недостатков, но довольно простой.

Сначала - общая теория.

Планетарное паровое отопление

Если не зацикливаться на возможном на настоящий момент, а рассуждать теоретически, то для решения упомянутых проблем я бы предложил просто греть имеющиеся на планете массы воды/льда. Лёд сначала начнёт испаряться (возгоняться: существование жидкой воды при давлении современной марсианской атмосферы невозможно). Потом, когда за счёт водяного пара и перешедшей в газовую фазу углекислоты с полюсов давление повысится, просто будет таять. Появившаяся вода сразу же начнёт кипеть. Но в итоге, когда атмосферное давление сравняется с давлением насыщенного пара при данной температуре, кипение прекратится. Появятся открытые водоёмы.

При продолжающемся подогреве у нас одновременно будет идти процесс испарения воды из водоёмов - и выпадение в виде дождя и снега содержащегося в атмосфере пара. При конденсации пара (и последующей кристаллизации льда) выделяется весьма значительная теплота парообразования (и теплота плавления). Как следствие, фактически у нас происходит перенос тепла от морей к суше.

Получается примерно то же, что в экваториальных регионах Земли, где днём жар Солнца испаряет воду, а ночью, когда по идее должно стать прохладнее, происходит выпадение дождей - и температура оказывается не настолько ниже, как могла бы быть (в таком режиме существуют экосистемы экваториальных дождевых лесов).

В итоге у нас на Марсе получается что-то вроде глобальной системы парового отопления. При достаточной её мощности можно было бы обойтись вообще без Солнца!

Кислород и вода

Если параллельно в процессе нагрева, скажем, небольшая часть воды будет разлагаться на кислород и водород, то постепенно кислород станет накапливаться, водород же будет почти мгновенно улетать в космос:

Если вести процесс разложения воды достаточно медленно, то водород будет покидать атмосферу Марса, не создавая нигде взрывоопасной концентрации (собственно, даже на Земле происходило бы то же самое: даже земное притяжение удержать легчайший из газов не способно).

В определенный момент, когда атмосфера становится достаточно плотной, мы просто перестаём разлагать воду - но продолжаем её греть. В результате Марс входит в нормальный режим, в котором сможет существовать длительное время. Разумеется, пока идёт подогрев морей.

При этом напоминаю, что, так как атмосфера - чисто кислородная, то давление её относительно невелико:

Среднее давление на Марсе - около 0,006 миллибара, то есть примерно в 150 раз меньше, чем на Земле. Минимальное необходимое давление - американцы делали такое на своих кораблях на раннем этапе их космической программы - примерно 1/3 земного (дышали астронавты чистым кислородом). Значит, нам достаточно повысить атмосферное давление не в 150, а всего в 50 раз.

Так как нам всё равно неоткуда взять другие, помимо кислорода, газы, то придётся вынужденно остановиться на том же варианте.

Ритм "днём - сухо, ночью - дожди" из-за низкого атмосферного давления становится особенно чётким. Днём у нас вода в виде пара, ночью, когда происходит резкое понижение температуры, выделение скрытой теплоты парообразования/плавления при выпадении дождей/снега/града приводит к тому, что снижение температуры не столь значительно, как могло бы быть.

Вроде как концы с концами сходятся?

Насколько сильно надо греть моря?

Но посчитаем, насколько сильно надо греть моря и насколько мощные дожди будут выпадать. Реалистично ли приспособиться жить в таких условиях?

Удельная теплота парообразования воды - около 2.3 МДж/кг. Однако при низком давлении - а на Марсе оно в 150 раз ниже, чем на Земле - эта цифра растёт. Возьмём 2.5 МДж/кг, так и считать проще.

Солнечная постоянная на Марсе примерно в 2.3 раза ниже, чем на Земле. Если квадратный метр земной поверхности в среднем получает 375 ватт (то есть джоулей солнечной энергии в секунду), то на Марсе выйдет 375 / 2.3 = 163 Вт. Добавить к ним нужно ещё 375 - 163 = 212 Вт - тогда энергия, получаемая поверхностью Марса, сравняется с той, что получает поверхность Земли.

2.5 Мдж / 212 Вт ~ 12000 секунд. То есть 1 килограмма воды, выпадающего на одном квадратном метре поверхности планеты, хватит для того, чтобы в течение 12 тысяч секунд компенсировать отличие Марса от Земли по уровню освещённости.

А в год? В земном году - около 30 млн секунд. Значит, за год над 1 м2 должно пролиться 30 млн / 12 тыс = 2.5 тыс кг воды. Так как 1 кг воды занимает объём в 1 литр, то этот литр, распределённый на 1 м2, дал бы 1 мм осадков. То есть получается, что Марс спасут примерно 2500 мм осадков в год.

Это много. Но - отнюдь не беспрецедентно много. Земные экваториальные дождевые леса получают 2-7 тысяч мм осадков в год...

Хватит ли на Марсе воды для этого? Конечно: по современном расчётам, при таянии всех запасов льда, на Марсе мог бы существовать глобальный океан глубиной 350-500 м. И если в год на поверхность выливается лишь 2500 мм = 2.5 м осадков, то это в любом случае лишь небольшая доля всей марсианской воды.

Но осталось ответить на вопрос...

Что может кипятить моря?

Переводим рассуждения в практическую плоскость. Пока что какой-то конкретный способ подогрева льда/воды не предполагался. Это именно что общая идея на будущее. Но кое-что можно предложить и на современном технологическом уровне.

Можно было бы прогреть достаточно большое количество воды подводными термоядерными взрывами. Конечно, крайне желательно, чтобы они были "чистыми", но это уже детали.

Если прикинуть, сколько именно нужно термоядерной взрывчатки для "парового отопления" Марса, то выясняется, что не так уж и много.

Допустим, взрывы мы производим глубоко в море. Это приводит к тому, что практически 100% энергии взрыва переходит в тепло (даже механическая энергия движения воды: второе начало термодинамики...).

При достаточно большой глубине подводный взрыв на поверхности даст о себе знать только потоком горячей воды из глубины и некоторым количеством пены.
При достаточно большой глубине подводный взрыв на поверхности даст о себе знать только потоком горячей воды из глубины и некоторым количеством пены.

Если пересчитать джоули в более адекватные для наших целей энергетические единицы, то получится, что Земля получает от Солнца количество энергии, эквивалентное примерно 40 мегатоннам тротилового эквивалента в секунду. Марс вчетверо меньше по площади, то есть для нагрева до земного уровня ему нужно около 10 мегатонн в секунду. Из них примерно 4 мегатонны он от Солнца и правда получает. Значит, добавить достаточно всего лишь 6 мегатонн в секунду.

Максимальная теоретическая эффективность ядерных боеголовок - это примерно 6 кт/кг веса. То есть 6 мегатонн - это всего лишь одна тонна термоядерной взрывчатки. В год получается примерно 30 млн тонн.

Произвести столько дейтерида лития вполне реально (современная промышленность легко манипулирует подобными массами вещества: железа в мире ежегодно выплавляется больше на порядок, про нефть и говорить нечего). С ураном (термоядерному взрыву, увы, до сих пор нужен ядерный "запал") сложнее, но, во-первых, его нужно гораздо меньше, во-вторых, крайне желательно было бы обойтись вовсе без него. Впрочем, и с ним есть варианты.

Если освоить другие виды термоядерных реакций (скажем, бороводородную), то в итоге выйдет даже дешевле, но пока исходим из того, что есть.

Чот может разложить воду?

Самое интересное, что при мощном термоядерном взрыве часть воды действительно разлагается на кислород и водород. Так что всё будет идти именно так, как и предполагалось...

За какой срок накопится достаточно кислорода?

Это сложно сказать заранее. Многое зависит от особенностей взрывов. В частности, при давлении в 1 атмосферу при температуре 3000 градусов Цельсия распадается около 15% молекул воды. А при давлении в 10 атмосфер - уже вдвое меньшая доля. Соответственно, всё зависит от того, на какой именно глубине происходит взрыв. Но если исходить из предположения, что распадается не более 1% молекул воды (то есть что взрыв именно глубоководный), то при использовании мегатонных боеголовок - очень грубо - температура, при которой идёт заметная термическая диссоциация воды, достигается всего лишь в радиусе метров тридцати от центра взрыва.

Тогда получается, что, если действительно распадается лишь 1% воды, и у нас происходит 6 мегатонных взрывов в секунду, срок накопления достаточного количества воды измеряться будет тысячелетиями.

Действительно, в пароводяном шаре радиусом 30 метров, по формуле объёма сферы (4/3 * пи * R^3) получается, что в область реакции попало ~36 тысяч м3 воды. Масса распавшейся воды, таким образом, около 3.6 * 10^5 кг (1% от 36 тысяч тонн), и из неё получится около 3.3 * 10^5 кг кислорода. Таких взрывов в секунду у нас 6, в году 30 млн секунд... Получается примерно 6 * 10^13 кг кислорода в год. В то время, как кислорода на Марсе нам нужно что-то около 1.5 * 10^15, причём тонн.

То есть потребуются 25 тысяч лет, если я не ошибся в счёте.

Но если у нас взрывы производятся ближе к поверхности воды, при давлении относительно низком, то распадаться могут, к примеру, эти самые 15% молекул, и тогда срок пропорционально меньший - около 1600 лет. Слишком долго? Да, но не будем преждевременно расстраиваться.

Во-первых, поначалу у нас будет очень разряжённая атмосфера, наполовину состоящая из водяного пара. То есть при поверхностных взрывах (на глубине не более нескольких десятков метров) разложение воды будет идти ещё эффективнее.

Во-вторых - мы ещё не рассмотрели проблему "первотолчка".

"Первотолчок"

Для того, чтобы производить ядерные взрывы в водоёмах, нужно иметь эти водоёмы. А сейчас на Марсе - максимум, ледники.

То есть сначала нам нужно нагреть массы льда до плавления/испарения. При этом состав атмосферы Марса должен стать таким, чтобы сделать возможным существование жидкой воды. И вот там, где скопится эта вода, и нужно будет производить подводные взрывы для обогрева. Первоначально, вероятно, это будут впадины Долин Маринера (глубина до 11 км, считая от среднего уровня Марса) или Равнины Эллада (до 8+ км): там моря не могут не образоваться.

Удельная теплота плавления льда - примерно 330 кДж/кг. Допустим, мы решили расплавить одним ударом вообще весь марсианский лёд (возьмём по максимуму, чтобы получить "оценку сверху" необходимых затрат).

Если у нас на Марсе 60 млн км3 льда, то есть примерно 6*10^19 кг, то на его плавление потребуется 6*10^19 * 330000 ~ 20 * 10^19 * 10^5 = 2 * 10^25 Дж.

Квадратный метр марсианской поверхности от Солнца получает 163 ватта (то есть джоуля в секунду). Площадь Марса - 1.5 * 10^8 км2 = 1.5 * 10^14 м2. Перемножаем то и другое - получаем примерно 2.5 * 10^16 джоулей в секунду получает от Солнца весь Марс. В год - умножаем на 30 млн секунд в году - выходит 7.5 * 10^23 Дж.

То есть на плавление всего льда Марса нужно примерно столько же энергии, сколько вся планета получает от Солнца за 2 * 10^25 Дж / 7.5 * 10^23 Дж ~ 25 лет.

Вспоминаем, что в секунду Марс у нас получает количество энергии, эквивалентное 4 мегатоннам в тротиловом эквиваленте. Но тогда в год это получается 120 млн мегатонн, а за 25 лет - 3 млрд мегатонн.

Из расчёта 6 кт на кг получается, что для надёжного "первоначального толчка" надо где-то 500 млн тонн термоядерной взрывчатки. С одной стороны, много, с другой - это примерно столько же, сколько мы будем тратить в режиме простого подогрева морей примерно за 17 лет. То есть - ничего особенного.

В связи с этим и нет смысла детально просчитывать интенсивность выделения кислорода в ходе "подогревательных" взрывов: заметная часть его выделится уже в ходе "первотолчка". В ходе него будет разложена довольно значительная доля воды/льда, при этом давление во внешней среде пока очень низкое (чем ниже давление - тем эффективнее разложение, при этом водород и кислород будут иметь не очень много шансов прореагировать обратно, так как смешаются с огромными массами водяного пара и атмосферной углекислоты).

В общем, это всё выглядит довольно реалистичным.

И как остановить это?

Так что, скорее, у нас возникает вопрос, что делать потом. Ускорить разложение воды мы можем, просто усилив нагрев. Но каким образом предотвратить накопление в атмосфере слишком большого количества кислорода? Ведь однажды его станет достаточно, а греть планету всё ещё будет нужно.

Конечно, можно будет просто дополнительно "заглубить" взрывы: под большим давлением вода распадается довольно медленно. Но хотелось бы иметь более надёжную гарантию от избытка кислорода.

Думается, в итоге придётся построить - за время обогащения атмосферы кислородом - нормальные энергостанции в глубинах морей, которые будут уже просто греть их воды. Например, что-то типа импульсных термоядерных станций (самый простой, наверное, вариант).

Как вырастить на Марсе экваториальные дождевые леса? Ещё один проект терраформирования
На рисунке: Схема одного из вариантов ядерно-взрывной электростанции.
Цифрами: 1 - пароэлектрогенератор, 2 - контрольный пост, 3 - шлюз шахты лифта, 4- паропровод, 5 - подвижная секция, 6 - камера газового теплорегулятора, 7 - оболочка газового теплорегулятора, 8 - антикорозионное покрытие, 9 - распорки, 10 - корпус взрывной камеры, 11- дополнительные опоры, 12- главная опора, 13 - элементоулавливающая установка, 14 - вакуумный насос, 15- регулятор давления, 16 - резервуар, 17 - пластины теплоаккумулятора, 18 - взрывная камера, 19 - кбельный наконечник, 20 - канал возврата пароводяной смеси.

Их идея, грубо говоря, заключается в том, что внутри большой и очень толстостенной "бочки" из металла производится небольшой термоядерный взрыв (10-100 кт), энергия которого уже утилизируется. Конечно, сделать нечто вроде электростанции по такому типу сложновато, но если задача - просто греть воду, в которую погружено подобное устройство, то всё гораздо проще...

В общем, похоже, все эти вопросы принципиально разрешимы. В конце концов, на морском дне можно разместить сверхмощные промышленные предприятия, избыточное тепло которых для Марса будет только в плюс...

Экология Марса

При таком режиме существования климатические пояса на Марсе устроены будут совершенно специфическим образом. Центры тёплых зон - в районах морей. Чем дальше от них - тем прохладнее...

Но везде - почти везде - очень влажно. Растительность, наверное, должна напоминать знакомые нам дождевые леса...

Спорные моменты

Очевидная проблема заключается в том, что, прежде всего, организмы на Марсе нужны уж очень специфические.

Постоянные дожди легко и быстро размоют почву. Укрепить её можно только корнями растений. То есть растительность очень важна. Однако освещение на Марсе заметно слабее, чем на Земле. Особенно это будет чувствоваться в условиях пасмурного дня (а там все дни будут пасмурными - при таком-то количестве осадков!).

При этом на экосистему ложится высокая дополнительная энергетическая нагрузка, связанная с необходимостью фиксации азота в сложных условиях:

У нас азотом снабжают всё живое азотфиксирующие бактерии. Фиксация азота - очень сложный, энергоёмкий процесс. Вероятно, чем ниже его парциальное давление (а оно от терраформа не изменится - по крайней мере, если мы берём в оборот всю поверхность), тем сложнее будет эта работа.

А парциальное давление азота на Марсе в сотни раз ниже, чем на Земле.

Что касается радиации, если будет выбран вариант подогрева морей с помощью обычной термоядерной взрывчатки на дейтериде лития, то многое зависит от того, насколько длительным у нас предполагается весь процесс. Если больше ста лет, то наведённую радиацию можно вообще игнорировать. Кроме того, именно в морях, где нет кобальта и т.п. опасных элементов (или их концентрация низка), она исходно слабее, чем на суше. Ну и, собственно говоря, при глубоководном взрыве практически все радионуклиды остаются в море - а оно у нас всё равно вряд ли будет населено. Позже же, конечно, придётся что-то изменить в этой схеме: или применять безнейтронную термоядерную взрывчатку (чистый лёгкий гелий или бороводород), или греть моря с помощью энергостанций.

Метки: #терраформирование , #терраформирование марса , #планеты , #планеты солнечной системы , #космос , #космическая экспансия , #освоение космоса , #s-теории , #марс , #наука и технологии

Кроме того, надо учитывать марсианский рельеф. На планете есть фантастически по земным меркам высокие горные массивы. В частности, Фарсида с Олимпом и всем прочим. Там может начать вымораживаться вода. Впрочем, тут нужно учитывать ещё и розу ветров, и всё остальное. Возможно, иногда придётся механически сбивать с гор лишний лёд и снег (инициировать лавины и оползни).

Терраформ будет вечен!

Ну и самое главное: как мы понимаем, режим подогрева морей на Марсе нужен будет всегда. Прекращение его ни к чему хорошему не приведёт: когда иссякнет тепловая инерция, то замерзнут Бореалис, Эллада и Аргир. Останутся только постепенно мелеющие Исида и Маринер, расположенные на экваторе. Дождевые леса сменятся пустынями...

На Марсе только один "континент" и одно "океанское ложе". Но для полного заполнения океана Бореалис воды на планете заведомо не хватит. В бывшем океане возникнут, вероятно, три отдельных водоёма. Большой Бореалис - в районе Северного полюса, а также глубоко врезающиеся в "побережье" глубочайший на планете разлом Долин Маринера и крупный астероидный кратер Исида. 
В Южном полушарии, в средних широтах, находятся Эллада (крупнейший астероидный кратер, вторая по глубине впадина на Марсе) и Аргир (тоже астероидного происхождения). Они также наверняка станут морями. Таким образом, из пяти потенциальных морей только два - Долины Маринера и Исида - расположены в районе экватора.
На Марсе только один "континент" и одно "океанское ложе". Но для полного заполнения океана Бореалис воды на планете заведомо не хватит. В бывшем океане возникнут, вероятно, три отдельных водоёма. Большой Бореалис - в районе Северного полюса, а также глубоко врезающиеся в "побережье" глубочайший на планете разлом Долин Маринера и крупный астероидный кратер Исида. В Южном полушарии, в средних широтах, находятся Эллада (крупнейший астероидный кратер, вторая по глубине впадина на Марсе) и Аргир (тоже астероидного происхождения). Они также наверняка станут морями. Таким образом, из пяти потенциальных морей только два - Долины Маринера и Исида - расположены в районе экватора.

Терраформирование должно быть постоянным!

Однако давно существуют человеческие общества, где, в принципе, так и живут - "терраформируя" свои страны. Нидерланды, значительная часть территории которых отвоёвана у моря, со Средних веков непрерывно откачивают воду, которая просачивается в постоянном режиме...

Да и Китай: если не подновлять постоянно каналы и вообще систему ирригации, не контролировать основные реки, Хуанхэ и Янцзы через несколько лет выйдут из берегов...

Непривычно, но, в общем, почему бы и нет?

Плюсы этого варианта в том, что практически всё, что нужно для проекта, нам уже известно. В принципе, если сразу начать именно с импульсной термоядерной электростанции, то там можно даже обойтись без взрывов. Но уж больно трудоёмко.

Ну вот где-то так.

См. также:

Список статей о терраформировании

Почему отсутствие магнитного поля никак не помешает терраформированию Венеры и Марса

Навигатор по каналу "Море Ясности"