Intro

Недавно npopok предложил мне высказаться в ЖЖ вот по какому вопросу: "Как обустроить жизнь на Марсе. В идеале, — чтоб можно было жить там постоянно, а по улице ходить в одной лишь кислородной маске."

Хотя настоящим специалистом в этой области я не являюсь, кое-какими познаниями  научно-популярного уровня, возможно, интересными общественности, всё-таки обладаю. Ими и поделюсь.

В ходе изложения мне придётся ссылаться на большое количество фактов из планетологии и близких дисциплин. Вставлять ссылки на источники каждый раз не буду, т.к. большинство этих сведений общеизвестны "в узких кругах". Желающим разобраться рекомендую литературу по теме в конце текста.

А в чём, собственно, проблема?

Вплоть до 70-х годов прошлого столетия большинство фантастов [Бредбери, Стругацкие и др.] описывали Марс как планету хоть и неуютную, но в принципе подходящую человеку. Навроде прохладных высокогорных Кара-Кумов. Многие всерьёз ожидали найти там жизнь. Когда в 60-х первые станции полетели к Марсу, ожидания общественности перевалили через оптимизм и достигли настоящей эйфории. Их столкновение с грубой реальностью сделанных открытий было настолько болезненным, что вызвало жестокое разочарование и резкий спад количества полётов к Марсу в последовавшие 20 лет, примерно до середины 90-х.

Image Credit: NASA [Hubble Space Telescope]

Выяснилось, что Марс -- место весьма гиблое и для жизни человека категорически непригодное. "Колонистов", ступивших на его поверхность, ожидала бы быстрая смерть из-за совокупности, как минимум, следующих факторов:

1. Крайне разреженная атмосфера, с давлением в 640 Па [примерно 1/150 земного]. Вода в таких условиях кипит при температуре около +0.5 ^oС, что много ниже температуры человеческого тела. То есть,  без герметичного жёсткого скафандра, подобного лунному, у человека на Марсе мгновенно вскипит кровь [несколько читателей мне справедливо указали на неточность этого выражения. Полного кипения и ужасов как в "Вспомнить всё" действительно не будет, ибо кипение, даже начавшись, будет тут же остановлено избыточным давлением растягиваемых газом тканей (плюс, его может предотвратить артериальное/венозное давление в кровеносной системе человека). Но выделение каких-то газов из крови будет происходить почти гарантированно, вызывая нарушение кровообращения, эмболию и симптомы, близкие к кессонной болезни. Это невероятно болезненно и опасно для здоровья, и во всех практических смыслах атмосферное давление ниже примерно 6.3 кПа губительно для человека]. Одного этого достаточно, чтобы оставить мысль о Марсе как о "втором доме", но я дополню картину ещё несколькими штрихами:

2. Практически полное отсутствие кислорода в атмосфере. Его там 0.13%.

3. Невозможность существования воды в жидком виде на Марсе как следствие #1. За крайне редкими исключениями, вода там бывает либо паром, либо льдом, и переход между ними осуществляется напрямую, минуя жидкую фазу. Это серьёзно подсекает возможность заселить Марс какими-нибудь, скажем, лишайниками.

4. Холодно. Обычная погода на Марсе -- это -50 ^oС, с вариациями от -130 ^oС до +20 ^oС.

5. Солнечная радиация. Атмосфера планеты тонка и пропускает до самой поверхности солнечное излучение с длинами волн от ~195 нм. Ультрафиолет такой жёсткости губителен для всякой земной жизни. Врачи не зря используют УФ-лампы для дезинфекции помещений.

6. Как следствие #5, поверхность Марса, вероятно, насыщена пероксидами, которые убьют всё живое, если вдруг там и появятся вода и жизнь.

Резюме: нынешний Марс действительно отменно стерилизован и к заселению совершенно непригоден. Технически, сегодня нам куда проще сохранить обитаемой Землю, нежели сделать таковым Марс. Для того же, чтобы люди могли разгуливать по нему в обычной кислородной маске и правильно подобранной одежде, нужно, как минимум, справиться с проблемой #1, то есть увеличить давление атмосферы.

О способах решения этой проблемы и пойдёт речь.

Общие соображения

Прежде всего, каковы потребные условия?

Давление паров воды при температуре +37 ^oС составляет около 6300 Па [0.062 атм]. Значит, чтобы ходить без скафандров, нужно как минимум 6300 Па. Правда, это ещё не учитывает потребностей дыхания.

Чтобы дышать, хорошо тренированному человеку необходимо парциальное давление кислорода во вдыхаемой смеси не менее примерно 40 миллиметров ртутного столба, или  5300 Па. Добавляя к этому давление водяного пара из лёгких [6300 Па], получаем, что общее давление атмосферы (равное давлению газа в лёгких) должно составить около 11600 Па, или примерно 1/9 земной атмосферы. Это -- абсолютный минимум, при котором очень здоровый и тщательно подготовленный человек ещё сможет жить и работать, вдыхая чистый кислород из маски. На Земле эти условия наблюдаются на высоте примерно 18 км.

Итак, если каким-либо образом поднять давление марсианского "воздуха" в 18 раз (от 1/150 до 1/9 атмосферы), то по Марсу можно будет разгуливать без скафандров. Более плотная атмосфера, кстати, попутно смягчит проблемы за номерами 3, 4 и 5.

Второй важный вопрос после "что?" -- это "когда?". К какому числу и году должна быть представлена работа?

На бесконечности, очевидно, всё получается само собой и бесплатно. Ведь примерно через 4 миллиарда лет Солнце вступит в стадию красного гиганта, его светимость резко возрастёт, полярные льды на Марсе испарятся и создадут вполне достойную газовую оболочку. Без всяких усилий с нашей стороны. Только нам это уже будет без нужды.

Ну а когда оно ещё будет актуально? Если предположить, что скорость технического прогресса человечества в следущие века сохранится на уровне, хотя бы сопоставимом с нынешним, то, видимо, речь идёт лишь о нескольких сотнях лет. Просто потому, что цивилизация какого-нибудь 2500-го года от нас нынешних будет отличаться настолько, что бессмысленно пытаться понять её нужды сегодня, равно как и решать её проблемы современными "допотопными" средствами. Это будет всё равно что проектировать станцию "Мир" под сборку лопатами и кузнечными молотами.

Собственно, здесь становится очевидным другой способ, #2. А именно, если микроэлектроника и нанотехнология продолжат развиваться нынешними темпами, то через пару сотен лет люди смогут создавать себе искусственные тела, не боящиеся радиации, вакуума, не нуждающиеся в кислороде и вдобавок, возможно, и вовсе бессмертные. Носители этих тел легко смогут разгуливать без масок и скафандров хоть по Марсу, хоть по Плутону. Что, на мой вгляд, и будет наиболее быстрым и элегантным решением проблемы. Ведь нынешнее человеческое тело -- предмет до чрезвычайности малоприспособленный к космическим путешествиям. Системы жизнеобеспечения и защиты, которые приходится таскать с ним в космос, на порядки усложняют любую межпланетную затею. Полёт с сегодняшними телами дальше Луны -- это пешая экспедиция медуз по Сахаре. Приспособление своего тела к условиям планеты, а не глобальное надругательство над её климатом, выглядит куда более правильным и естественным путём развития.

Но если нам так уж хочется, вот прямо так уж неймётся добиться решения именно для тел нынешних, да ещё и в рамках знаний сегодняшних, то придётся задуматься об изменении климата Марса. Причём рассматривать нужно только такие программы, которые имеют шанс уложиться в несколько сотен лет. Для определённости возьмём 300. Чтобы наши далёкие предки, поставленные перед уже свершившимся фактом, могли лишь впаять нам посмертно срок "за разрушение уникальной экосферы Марса" :) Так что рассмотрим, какие же технические средства предоставляет природа для совершения этой "кражи со взломом".

Решение #3 -- "разгон" атмосферы

Один, довольно общеизвестный, подход к проблеме заключается в следующем. Как известно, углекислый газ (CO₂) обладает сильным парниковым эффектом. То есть, атмосфера, из него состоящая, согревает поверхность планеты, пропуская к ней солнечный свет, но блокируя уходящее тепловое излучение планеты.

Марсианский "воздух" весьма жидок, но на 96% состоит из углекислого газа. Этого уже хватает, чтобы сделать климат Марса на 4-5 градусов теплее по сравнению с ожидаемым излучательным равновесием. В полярных шапках Марса [в основном южной] хранится ещё немало этого газа. Что получится, если, скажем, взорвать там пару сотен водородных бомб, испарить часть CO₂ и, таким образом, временно повысить плотность атмосферы? В принципе, можно ожидать, что это приведёт к усилению парникового эффекта и, как следствие, росту температуры. Которое, в свою очередь, вызовет новый виток испарения углекислого газа с полюсов, новый рост плотности и т.д. В итоге получаем плотную атмосферу, тепло и полное отсутствие полярных шапок. Благодать.

К сожалению, метод этот, при всей его заманчивости, вряд ли сработает. Причин тому две.

Во-первых, нет гарантии, что в полярных шапках содержится достаточно углекислого газа, чтобы обеспечить требуемое давление.

Действительно, масса атмосферы с давлением p у планеты с радиусом R и силой тяжести g даётся выражением:

  (1)

и для требуемых 11600 Па составляет около 4*10¹⁷ кг. Единства мнений по поводу массы твёрдого CO₂ в полярных шапках сегодня нет; называемые цифры разнятся от 3*10¹⁶ кг до 4*10¹⁷ кг. Если пессимисты правы, что более вероятно, то даже испарение всей углекислоты не создаст нужного давления и это направление бесперспективно.

Ну а если правы оптимисты, и газа там всё-таки достаточно, будет ли это работать? К сожалению, скорее всего, по-прежнему нет, и вот почему.

Взгляните на приведённую картинку. Жёлтым цветом на ней обозначена температура испарения углекислого газа из твёрдой фазы ("сухого льда") как функция давления газа CO₂ над этим льдом.

Перекрестие голубых линий обозначает условия на южной полярной шапке [148 ^oК, 636 Па]. Как нетрудно заметить, это перекрестие лежит на жёлтой кривой. О чём это говорит? Правильно! О том, что марсианская атмосфера -- буферная, и поддерживается исключительно равновесием между паром и льдом CO₂ на южной полярной шапке.

Это равновесие должно обладать некоторым запасом устойчивости. То есть, когда в силу случайных причин в атмосфере вдруг становится больше углекислоты, её конденсация усиливается из-за роста давления и возвращает атмосферу в равновесие. Усиление парникового эффекта и разогрев при этом оказываются недостаточными, чтобы скомпенсировать большую "смерзаемость" газа на шапке. Чтобы вывести эту систему из равновесия, надо выбросить в атмосферу много, очень много газа. Вопрос: сколько? Точного ответа я не знаю, но могу провести приблизительную оценку.

Начнём с того, что любая атмосфера согревает свою планету, независимо от газового состава. Сопутствующая этому характерная линейная зависимость температуры от высоты отчётливо прослеживается в тропосферах по крайней мере восьми планет в Солнечной Системе.

Для трёх тел с близкими освещённостями и ожидаемыми температурами, а именно, Венеры, Земли и Марса, величина согревания, вызванного атмосферой, уже измерена умными людьми и составляет примерно:

Его график как функция массы атмосферы планеты на квадратный метр её поверхности ("толщины одеяла") изображён справа. Как видно, зависимость эта (пунктирная кривая) весьма проста, и позволяет оценивать количественно согревающий эффект атмосферы произвольной плотности. Знаю, настоящие специалисты за такое выгнали бы меня из класса. Но для грубой прикидки этот метод, как кажется, всё же должен работать.

Приняв "безатмосферную" равновесную температуру над южной полярной шапкой Марса за 143 ^oК, можно построить график этой температуры при различных давлениях атмосферы и посмотреть, где он пересечётся с жёлтой кривой равновесия фаз углекислого газа. Справа от этой точки пересечения атмосфера будет "тёплой" и самоподдерживающейся за счёт парникового эффекта. Слева -- сваливаться к нынешнему разреженному и холодному состоянию.

Как вы, наверное, догадались, эта кривая уже отложена тёмно-красным цветом на первом графике. Искомая точка пересечения, согласно используемому методу, приходится на параметры 40 кПа и 184 ^oК. Это давление примерно в 60 раз выше сегодняшнего марсианского. Потребная для его создания масса газа, как нетрудно подсчитать, составляет около 1.5*10¹⁸ кг. Это многократно превосходит даже самые оптимистичные оценки его запасов в полярных шапках. Так что, даже если из-за грубости используемого метода я и ошибся раза в три, на этой затее всё равно придётся поставить жирный крест.

В заключение отмечу, что все вышеприведённые рассуждения отнюдь не являются моим открытием, но есть грубая иллюстрация "на пальцах" фактов, довольно хорошо известных в кругах науки о Марсе. Расчёты, проведённые настоящими специалистами, показывают, что конденсация CO₂ при повышении его давления будет происходить не столько даже на шапке, сколько в верхней атмосфере, в виде облаков. Поэтому возникшая было мысль покрасить шапку в чёрный цвет и таким образом подогреть её к успеху, к сожалению, тоже не приведёт.

Описанная картина согласуется с современными представлениями о геологической истории Марса.

В далёком прошлом планета была очень активна. Её вулканы извергали много газов с сильным парниковым эффектом, в частности, таких, как сернистый газ SO₂. Эти добавки, вероятно, и согревали планету настолько, чтобы поддерживать достойную углекислотную атмосферу и даже реки из жидкой воды, русла которых сохранились на Марсе.

Потом вулканизм иссяк. Сернистый газ, как вещество химически довольно активное, быстро связался с поверхностью, перейдя в минералы. Похолодало. Парникового эффекта от оставшегося углекислого газа перестало хватать для поддержания нужной температуры. Возможно, тут ещё "помогло" разрушение CO₂ солнечным ультрафиолетом или лёгкое изменение параметров орбиты Марса. Возникла полярная шапка, давление упало ещё ниже, процесс смерзания атмосферы покатился под горку, и вот мы видим сегодняшний Марс, холодный и безнадёжно мёртвый.

Да, Марс мёртв, и куда более, чем нам того бы хотелось. Простым "толчком" его не разогреть. Если мы всё ещё не думаем отказываться от этой затеи, надо искать другие способы.

Решение #4 -- преобразование атмосферы

Если невозможно создать подходящую атмосферу из СO₂ то, может, удастся сделать это из других газов? Скажем, из приятного нам кислорода? Напрашивается мысль заселить Марс какими-нибудь лишайниками. Пусть они потребляют углекислый газ и делают из него кислород. По прошествии N лет получаем не планету -- санаторий!

Но даже если забыть, что в полярных шапках, вероятно, слишком мало СO₂ для такого дела, план этот всё равно нереален. Да, некоторые лишайники способны перетерпеть пару недель в открытом космосе. Но одно дело -- найти существо, которое не окочурится после месяца на Марсе, и совсем другое -- добиться, чтобы оно там себя вольготно чувствовало, жило, размножалось, да ещё и производило кислород нам на радость. Учитывая отсутствие воды и постоянную ультрафиолетовую дезинфекцию поверхности, это кажется невыполнимым. Просто потому, что все земные существа созданы из вещества, не переносящего таких воздействий. Как их друг с другом ни скрещивай.

Нет, какие-нибудь экстремальные вариации, наверное, по-прежнему возможны. Можно, скажем, заселить примитивными хемосинтетиками не поверхность, а недра Марса. Собственно, если на Марсе и есть своя жизнь, то это, пожалуй, единственный мыслимый способ её существования. Но я, к сожалению, не настолько силён в биологии, чтобы рассуждать об этом даже поверхностно. Пусть выскажутся специалисты; я же отставлю этот путь как черезчур фантастический в рамках моих познаний.

И тем не менее, интересное решение на этом направлении есть. Ведь в чём основная проблема с теми же лишайниками? Да в том, что всё живое на Марсе слишком быстро дохнет. Ну так а обязательно ли с этим бороться? Нужно ли, чтобы преобразователи атмосферы были биологически живыми? Вовсе нет. "Мёртвые" автоматы вполне способны справляться с подобной работой :)

Идея, собственно, не нова и не моя. Представим себе завод, непрерывно выполняющий всего лишь две функции: производить кислород из подножных минералов и... свои копии. А энергию брать от Солнца.

Если забросить на Марс десяток таких "заводов", то за какое-то время, размножаясь, они "заселят" всю планету, а потом наделают кислорода столько, что можно будет ходить по Марсу вообще без всяких масок. Затея выглядит хоть и сложной, но в принципе осуществимой. Единственное, что остаётся понять -- а можно ли её провернуть за предлагаемые 300 лет. Проведём оценки.