Терраформирование, или останется ли Земля нашим домом

Терраформирование означает изменение климатических условий планеты или спутника с целью сделать их пригодными для жизни. Несмотря на то, что терраформирование на нынешнем уровне технического развития цивилизации представляет скорее теоретический интерес, самому термину уже больше 60 лет.

Терраформированию подлежат далеко не все планеты и спутники. У пригодных небесных объектов должны быть как минимум: масса, достаточная для удержания атмосферы и нормального существования организмов; достаточное количество солнечного излучения, наличие воды, приемлемы радиационный фон, твердая каменистая поверхность и относительно спокойные соседи.

Всем этим параметрам в нашей системе соответствует Марс – четвертая планета от Солнца. На его поверхности холоднее и суше, чем в любом месте Земли, тонкая атмосфера ядовита для человека, а перекись водорода в почве способна разрушать живые ткани. Но, несмотря на свою враждебность, Марс – самая похожая на Землю планета Солнечной системы с практически такой же длиной суток.

Казалось бы, логичнее терраформировать Луну, которая гораздо ближе к нам. Однако 28-часовые лунные сутки малопригодны для растений и некомфортны для человека. Выращивание растений в теплицах на Луне также невозможно, поскольку сильная солнечная радиация убьет их. Можно, конечно попытаться создать на Луне толстую атмосферу с парниковыми газами, но это слабо поможет, поскольку растения погибнут от большого перепада суточных температур из-за большой длительности лунных суток. А насытить атмосферу спутника кислородом проблематично, поскольку он будет связываться с SiO2 и MgO, в изобилии обнаруживающихся в лунных почвах. На Луне есть всего лишь немного жидкого водорода на дне кратеров у полюса, куда никогда не попадают солнечные лучи.

Единственное преимущество Луны перед Марсом (помимо ее близости) это наличие гелия-3 (редкий изотоп, в ядре 2 протона и 1 нейтрон) в почвах. На Земле в свободном виде он не встречается и, судя по всему, на Марсе тоже. Hе-3 используется для получения снимков внутренних органов, на предприятиях термоядерного синтеза и в термоядерных двигателях ракет.

Зато на Марсе много кислорода. В основном в соединении CO2 в южной и в северной полярных шапках, а также в реголитах (внеземные почвы, часто применяется по отношению к лунному грунту) в соединении Н2О2.

Из перекиси кислород выделяется при ее нагреве, и им можно дышать, а твердый углекислый газ при нагреве сублимируется, переходя в газообразную форму, необходимую растениям для синтеза кислорода. К тому же, СО2 является парниковым газом, повышающим температуру поверхности. Он же в основном ответственен за температурный ад Венеры. Если бы венерианская атмосфера имела земной состав, то ее средняя температура была бы около 26°С (на Земле 15°С).

На Марсе есть запасы замороженной воды (на Луне тоже, но ее совсем мало) в основном в северной полярной шапке и, возможно, под поверхностью в жидкой форме.

Общие идеи терраформирования Марса состоят в следующем:

Растопить южную полярную шапку для выделения углекислого газа. Вызванный в результате этого парниковый эффект может высвободить дополнительное количество СО2 из реголита и даже растопить северную полярную шапку. Чтобы растопить подповерхностные запасы воды и вывести ее на поверхность потребуется весьма длительное время. При насыщении марсианской атмосферы углекислым газом, давление на поверхности поднимется до 0,15 атмосферы, что не даст воде испариться. При повышении концентрации кислорода из перекиси, создастся озоновый слой, достаточный для защиты от радиации, небольшой на орбите Марса.

Когда атмосфера насытится углекислым газом, а вода выйдет на поверхность, необходимо будет повысить концентрацию кислорода до приемлемой. Для этого нужно будет высадить на «красную планету» в большом количестве растения, которые могли бы выжить в еще весьма суровом марсианском климате. Такие растения можно было бы получить с использованием достижений генной инженерии.

Как видим, все начинается с таяния южной полярной шапки. И все не так сложно, как может показаться на первый взгляд, поскольку, чтобы ее растопить необходимо повышение температуры всего на 4°С. С задачей повышения температуры на планете мы прекрасно справляемся на примере Земли. То есть, можно было бы построить на Марсе большое количество промышленных предприятий, выбрасывающих парниковые газы в атмосферу. Если использовать газы, не содержащие хлора, то на озоновый слой это не повлияет.

Для искусственного создания парникового эффекта прекрасно подходит газ тетрафторметан (CF4), который может, не разлагаясь, находиться в атмосфере до 10 000 лет. Однако выработка такого количества CF4 будет стоить весьма дорого, не считая энергетических затрат и доставки. Например, для производства тетрафторметана для поднятия температуры на Марсе на 10° потребуется 4500 мегаватт энергии, что эквивалентно потреблению крупного мегаполиса. При этом парниковый эффект и потепление еще на 10° произойдет в течение не менее 30 лет.

Можно подойти и с другой точки зрения: На Марсе холоднее, потому что он дальше от Солнца и получает от него меньше излучения. Логично было бы попытаться увеличить количество солнечной радиации, например, с помощью больших орбитальных зеркал (солнечных парусов). Такие конструкции располагались бы на расстоянии 214 000 километров над поверхностью в точке Лагранжа, где суммарное притяжение небесных объектов (главные из которых Солнце и Марс) равно нулю.

Но все не так просто: чтобы увеличить излучение, попадающее на марсианскую поверхность всего на 2%, необходимы зеркала суммарной площадью не менее 220 тысяч кв. километров. При таком положении дел логичнее нагревать только определенные ограниченные области поверхности, например, южную полярную шапку, которая полностью растает при повышении средней температуры всего на 4°. Это, в свою очередь, вызовет повышение температуры на поверхности еще на 20°. Для того, чтобы растопить полярную шапку в течение 10 лет потребуется всего один солнечный парус, диаметром 125 километров. Доставка на орбиту такого громадного зеркала с марсианской поверхности окажется проще, чем с земной из-за меньшей гравитации. Другой вариант – изготовление небольших зеркал на Луне и отправка на марсианскую орбиту. Такие зеркала-паруса могли бы к тому же переправлять грузы.

Очень удачно, что Марс расположен близко к поясу астероидов. Ведь если будет обнаружен и пойман астероид, богатый алюминием, то на красной планете можно будет довольно быстро построить ядерный реактор мощностью 5 мегаватт (такие реакторы будут устанавливаться и на космические корабли для пилотируемых полетов).

Есть и биологический способ. Например, существуют бактерии, вырабатывающие кислород и метан в присутствии воды и диоксида углерода. Другой вид бактерий может вырабатывать аммиак и кислород при наличии воды и азота. И аммиак, и метан являются парниковыми газами, более сильными, чем СО2. Представим, что 1% марсианской поверхности покрыты такими бактериями, использующих свет для синтеза парниковых газов с эффективностью 0,1%. Они выбросят миллиарды тонн аммиака и метана в атмосферу, что позволит повысить ее температуру на 10° за 30 лет.

Эти же газы защитят Марс от ультрафиолетового излучения. Защищая поверхность, они будут постоянно разрушаться и восстанавливаться бактериями. Когда температура повысится и освободится большое количество углекислого газа, у красной планеты появится озоновый слой (СО2 участвует в его формировании), и аммиак и метан не будут разрушаться, увеличивая парниковый эффект.

Дальнейшего повышения температуры на Марсе можно достичь, если уменьшить его альбедо (отражательная способность). Для этого можно заселить поверхность планеты темными бактериями, хорошо поглощающими свет и вырабатывающими парниковые газы. К сожалению, ученым пока не известны бактерии, которые смогли бы выжить при столь низких температурах.

В принципе альбедо марсианской поверхности можно уменьшить чисто механическим путем. Известно, что на Марсе есть обширные площади, покрытые темным, почти черным песком. Часть из них расположена близко к полярным шапкам, то есть лед можно было бы присыпать песком, хорошо прогревающимся на свету и инициировать таяние, ускоряемое, например, все тем же орбитальным зеркалом.

Часто у людей складывается мнение, что Марс потерял свою атмосферу из-за низкой гравитации, а значит, это произойдет и после терраформирования. Однако известно, что существуют небесные тела с гораздо меньшей массой, но протяженной атмосферой. Например, давление атмосферы крупнейшей луны Сатурна Титана в 1,5 раза превышает земное, а сама атмосфера в 2 раза толще земной, хотя Титан меньше Марса и притягивает атмосферу слабее.

Помимо Марса у ученых есть несколько кандидатов для терраформирования. Один из них, безусловно, Луна. Несмотря на малую массу, она сможет как минимум несколько десятков тысяч лет удерживать плотную искусственно созданную атмосферу земного типа. Однако по причинам, перечисленным выше, проще создавать локальные поселения под куполами.

Терраформирование возможно и для Венеры с ее удушающей атмосферой, высокими температурами и огромным давлением у поверхности. Астрономы рассчитывают выселить на ее поверхность бактерии Thiophilic, живущие вблизи черных курильщиков – геотермальных образований, температура выбросов которых достигает 400°С. Эти удивительные микроорганизмы живут в ядовитом шлейфе, поглощая SO2. Другим вариантом может быть бомбардировка планеты вводно-аммиачными астероидами для изменения скорости вращения планеты и ее охлаждения в процессе испарения астероидов.

Меркурий теоретически также может быть терраформирован, поскольку его масса достаточна, чтобы удержать плотную атмосферу. Ученым нужно всего лишь отодвинуть его подальше от Солнца на каких-то 30 млн. километров. Вполне возможно, что когда-нибудь мы научимся смещать планеты со своих орбит, но в ближайшее будущее рассчитывать на это не приходится.

Из спутников претендентами на терраформирование являются Титан, Европа, Ганимед и Каллисто. Однако эти проекты пока больше похожи на фантастику, исходя из чрезвычайной удаленности объектов. Спутник Сатурна Титан можно терраформировать лишь частично, но он привлекает ученых потому, что на нем обнаружены богатейшие запасы углеводородов, так необходимых нашей промышленности. Спутник Юпитера Европа интересен прежде всего жидким океаном. Но не следует забывать, что без серьезной защиты в мощном радиационном поясе Юпитера, в котором находится Европа, вы умрете всего за 10 минут. Возможный выход из ситуации – подводные поселения. Спутник же Юпитера Ганимед также обладает запасами воды, но находится вне радиационного пояса, поэтому в весьма отдаленном будущем на нем можно было бы создать атмосферу и частично терраформировать. То же самое можно сказать и о юпитерианской луне Каллисто.

Конечно, очень интересно рассуждать о заселении других миров, но стоит признать, что самым первым кандидатом на терраформирование, безусловно, является Земля, которая становится все менее похожей на планету, пригодную для проживания. В основном, благодаря нам. И, в первую очередь, мы повинны в усилении парникового эффекта из-за выбросов углекислого газа в атмосферу, вырубку лесов, уничтожение биологических видов и загрязнение всех систем. Сегодня даже появилось новое направление - экологическое проектирование (ecological engineering),- хотя это уже вряд ли спасет ситуацию.