1 апреля 2015 г. физический факультет Российского Государственного Педагогического Университета  им. А.И.Герцена организовал "Физический фейерверк" исследовательских и проектных работ учащихся школ Санкт-Петербурга. 

Работа Белова Алексея "Методы и способы терраформирования Марса" была заслушана в секции №5, работой которой руководил кандидат педагогических наук Комаров Борис Алексеевич.

Все ученики, представившие свои работы, награждались сертификатом участника и значком фестиваля.

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.

Полностью материал загружен на страницу сайта.

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