Огромное желание некоторых индивидов колонизировать Марс может казаться безумным, особенно учитывая множество факторов, никак не способствующих нормальной жизни на красной планете. Одной из таких проблем является температура, которая на поверхности Марса колеблется от +20 °C до -153 °C. Также известно, что треть поверхности Марса имеет неглубоко залегающий H₂O, однако из-за температуры этот ресурс бесполезен, грубо говоря. Потому ученые со всего света начали задумываться над тем, как нагреть Марс. Некоторые идеи довольно эффективны на бумаге, но их реализация требует как инфраструктуры, так и материалов, коих нет на Марсе. А вот ученые из Чикагского университета (Чикаго, США) предложили метод, в котором будут использоваться родные для красной планеты компоненты на наномаштабе. В чем заключается суть метода, как он работает, и насколько высока его эффективность? Ответы на эти вопросы мы узнаем из доклада ученых.

Основа исследования

Сухие речные долины пересекают некогда обитаемую поверхность Марса, но сегодня ледяная почва слишком холодна для жизни земного происхождения. Ручьи могли быть активны примерно 600000 лет назад, намекая на то, что Марс в той или иной степени мог быть обитаем. Было предложено много методов для нагрева поверхности Марса путем закрытия спектральных окон, сосредоточенных вокруг длин волн (λ) 22 и 10 мкм, через которые поверхность охлаждается тепловым инфракрасным излучением, поднимающимся в космос. Современный Марс имеет тонкую (~6 мбар) атмосферу CO₂, которая обеспечивает только ~5 K парникового эффекта за счет поглощения в диапазоне 15 мкм, и Марсу, по-видимому, не хватает достаточного количества конденсированного или минерализованного CO₂ для восстановления теплого климата. Спектральные окна можно закрыть с помощью искусственных парниковых газов (например, хлорфторуглеродов), но для этого потребуется улетучить ~100000 мегатонн фтора, который редко встречается на поверхности Марса. Альтернативный подход предлагается с помощью естественного пылевого аэрозоля Марса. Почти вся марсианская пыль в конечном итоге образуется в результате медленного измельчения богатых железом минералов на поверхности Марса. Из-за своего небольшого размера (эффективный радиус 1.5 мкм) марсианская пыль поднимается на большую высоту, всегда видна на марсианском небе и присутствует на высоте до > 60 км. Естественный пылевой аэрозоль Марса снижает дневную температуру поверхности, но это связано с композиционными и геометрическими особенностями, которые можно изменить в случае искусственной пыли. Например, наностержень, длина которого примерно вдвое меньше длины волны восходящего теплового инфракрасного излучения, должен сильно взаимодействовать с этим излучением.

Результаты исследования

Изображение №1

Ученые предлагают рассмотреть проводящий наностержень длиной 9 мкм (в данном труде рассматривается алюминий и железо) с соотношением сторон ~ 60:1. Расчеты конечной разности во временной области показывают, что такие наностержни, случайно ориентированные из-за броуновского движения, будут сильно рассеивать и поглощать восходящее тепловое инфракрасное излучение в спектральных окнах и рассеивать солнечный свет вниз к поверхности, что приведет к чистому потеплению (график выше). Результаты устойчивы к изменению типа материала частиц, формы поперечного сечения и разрешения сетки и изменяются, как и ожидалось, с длиной частицы и соотношением сторон. Рассчитанное тепловое инфракрасное рассеяние является почти изотропным, что способствует поверхностному потеплению. Такие наностержни будут оседать в атмосфере Марса в 10 раз медленнее, чем естественная марсианская пыль. Это означает, что после того, как частицы поднимутся в воздух, они окажутся на большой высоте и будут иметь длительное время жизни в атмосфере.


Изображение №2

Это мотивирует расчет поверхностного потепления (K) как функции (искусственной) аэрозольной плотности стержней (килограммы на квадратный метр). Глобальная климатическая модель Mars Weather Research and Forecasting (MarsWRF) подходит для такого расчета. Следуя многим предыдущим работам, ученые задали слой аэрозоля и рассчитали результирующее стационарное потепление. Данный расчет не включает динамический перенос аэрозоля, но включает реалистичную топографию, сезонное воздействие и поверхностные теплофизические свойства и альбедо. Выходные данные модели (схемы выше) показывают, что плотность Al наностержней 160 мг/м² дает поверхностные температуры и давления, допускающие обширное летнее (т. е. самый теплый период ~70 солов каждый год) наличие жидкой воды в местах с неглубоким грунтовым льдом. Это > 5000× эффективнее, на основе потепления на единицу массы в атмосфере, чем текущее состояние дел. Температуры, испытываемые подповерхностным льдом, будут ниже из-за изоляции почвой. Водяной лед на глубине < 1 м почти повсеместен к полюсу ±50° широты (синие линии на схеме). Лед H₂O присутствует дальше к экватору, но изолирован под > 1-метровым почвенным покровом и поэтому не растает, если годовая средняя температура поверхности не поднимется близко к 273 К (около -0.15 ℃).

Парниковый эффект частично зависит от разницы температур между верхней частью оптически толстого слоя, излучающего/поглощающего инфракрасное излучение, и поверхностью планеты. Более высокие облака имеют большую ΔT относительно поверхности (из-за адиабатического охлаждения) и, таким образом, дают более сильный парниковый эффект. Поэтому результаты зависят как от высоты верха искусственного пылевого слоя, так и от его плотности. Минимальную плотность для существенного потепления (2C) можно оценить, установив оптическую глубину в спектральном окне (τ_win) на единицу и решив следующее выражение для плотности стержней M_c (миллиграммы на квадратный метр):

τ_win = 3 Q_effM_c / ( 4 r ρ)

Q_eff — эффективность экстинкции, зависящая от волнового числа, ρ — плотность частиц наностержня (Al: 2.7 г/см³), а r — эффективный радиус частиц наностержня (радиус сферы эквивалентного объема, 0.38 мкм). Здесь Q_eff — отношение сечения экстинкции в спектральном окне (около половины максимального сечения, т. е. 3 × 10⁻¹¹ м²) к геометрическому сечению эквивалентной сферы и составляет ≈ 60. Это дает минимальную плотность стержней (M_c) 20 мг/м². При 160 мг/м² объемная плотность наностержней 10/см³ дает временную шкалу броуновской коагуляции (для сфер диаметром от 0.1 до 10 мкм, для 100% эффективности аккреции) ≈ 6 лет.

Эта оценка временной шкалы имеет существенные неопределенности. Например, фактическая эффективность аккреции может быть меньше, например, потому что монодисперсные частицы однородного состава (например, наностержни) могут нести одинаковые заряды и, таким образом, отталкиваться друг от друга. На Марсе частицы будут поглощаться сухим осаждением и переходным льдом CO₂ и повторно выбрасываться в атмосферу путем подъема пыли. Первоначальный выброс (после изготовления) может быть из трубы, простирающейся на 10–100 м над поверхностью, поскольку турбулентные восходящие потоки на Марсе усиливаются с расстоянием от поверхности. Для эффективного срока службы частиц в 10 лет поддержание потепления, показанного на 2A, требует фонтанирования частиц со средней скоростью 30 литров/с. Многолетнее время жизни согласуется с выпадением за один проход частиц диаметром ~ 0.1 мкм, и время жизни частиц может быть значительно увеличено, если частицы будут спроектированы так, чтобы они поднимались самостоятельно, что еще больше сократит поддерживающий поток массы. Однако эффективное время жизни частиц остается основной неопределенностью в исследуемой модели.

Для проверки трехмерных (3D) результатов ученые запустили 1D-модель, используя среднегодовую инсоляцию Марса. Она предсказывает глобальную температуру 245 К для Al наностержней ~ 160 мг/м² (2C). Для дальнейшего увеличения нагрузки наностержней 1D-модель предсказывает более низкие глобальные температуры, чем 3D-модель. Это может быть связано с различиями в вертикальной температурной структуре двух моделей. Даже в потеплевшем климате южный полюс достаточно холоден для сезонной конденсации CO₂.


Изображение №3

В течение нескольких месяцев нагревания Марса атмосферное давление увеличивается примерно на 20%, поскольку CO₂ лед сублимируется, что является положительной обратной связью нагрева. На потеплении Марса атмосферное давление будет увеличиваться еще в 2–20 раз, поскольку адсорбированный CO₂ десорбируется, а полярный CO₂ лед испаряется в течение времени, которое может длиться столетиями. Это еще больше увеличит площадь, пригодную для жидкой воды. Однако повышение температуры Марса само по себе недостаточно, чтобы сделать поверхность планеты пригодной для жизни с фотосинтезом кислорода. Например, пески Марса содержат примерно 300 частей на миллион по весу (ppmw от parts per million by weight) нитратов, а воздух Марса содержит очень мало O₂, как и воздух Земли до появления цианобактерий. Для восстановления почвы, богатой перхлоратом, может потребоваться биоремедиация с помощью бактерий, восстанавливающих перхлорат, которые выделяют молекулярный кислород в качестве естественного побочного продукта.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Результаты этого относительно простого рабочего процесса подвержены нескольким неопределенностям, которые мотивируют более сложное моделирование. В качестве одного из нескольких примеров, моделирование связанного потока пыли и зародышеобразования льда на Марсе в настоящее время находится на ранней стадии. Моделирование эффекта наностержней как ледяных зародышей — что может быть как положительной, так и отрицательной обратной связью, в зависимости от размера и высоты образующихся частиц водяного льда и их эффективности осаждения — является дополнительной мотивацией для изучения этой связи. Тонкое покрытие наностержней может изменить их уровень гидрофобности и, возможно, зародышеобразование льда, а также может защитить от окисления. Оптимальное место для фонтанирования частиц требует дальнейших исследований. Выпуск в восходящий отрезок ячейки Хэдли должен обеспечить рассеивание в обоих полушариях. Радиационное воздействие обратной связи водяного пара однозначно положительно. Тесты с различным размером, составом и формой наностержней предполагают, что возможны дальнейшие улучшения эффективности потепления. Например, эффективность затухания уменьшается приблизительно линейно с радиусом стержня, но масса уменьшается квадратично с радиусом стержня.

Учитывая вышеизложенные оговорки, 2C позволяет сделать первую оценку того, сколько поверхностного материала потребуется для обеспечения фонтанов. При плотности поверхностного материала 2 г/см³ и содержании Al₂O₃ ~10 мас.% повышение температуры поверхности до температуры, показанной на 2A, за 10 лет потребует обработки 2 × 10⁷ м³/год поверхностного материала для получения 7 × 10⁵ м³/год металла, что соответствует призматической шахте полушириной 350 м и наклоном боковой стенки 20°, удлиняющейся на 250 м в год.

Хотя наночастицы могут согреть Марс, как выгоды, так и потенциальные затраты этого курса действий сейчас неопределенны. Например, в маловероятном случае, если почва Марса будет содержать невосстановимые соединения, токсичные для всей земной жизни (это можно проверить с помощью Mars Sample Return), то выгода от потепления Марса будет нулевой. С другой стороны, если на поверхности Марса можно будет создать фотосинтетическую биосферу, возможно, с помощью синтетической биологии, то это может увеличить шанс успешности колонизации красной планеты.

Необходимо больше работы по очень долгосрочной устойчивости разогретого Марса. Для истощения атмосферы при нынешних темпах выброс атмосферы в космос займет не менее 300 миллионов лет. Однако если подземный лед, наблюдаемый на глубине от нескольких метров до десятков метров, залегает в пустом поровом пространстве, то чрезмерное потепление на протяжении столетий может привести к утечке воды, что потребует тщательного управления долгосрочным потеплением. Исследование недр электромагнитными методами может решить эту неопределенность относительно того, сколько воды остается на Марсе глубоко под землей.

Эффективность нагрева наночастицами предполагает, что любая сущность, стремящаяся к сильному потеплению в масштабах планеты, будет использовать этот подход. Это предполагает поляризацию как техносигнатуру для холодных земных миров с геодинамо. Нагрева наночастицами, само по себе, недостаточно, чтобы сделать поверхность планеты снова пригодной для жизни. Тем не менее, данное исследование предполагает, что нагревание наночастицами может представлять интерес для сообществ нанофотоники и планетарной науки, среди прочих, и что дальнейшее исследование может быть крайне плодотворным.

До полноценной колонизации Марса еще очень и очень далеко. Однако ученые из самых разных областей совершают гигантские усилия, чтобы приблизить этот новый этап в развитии человечества. Объединение накопленных знаний всех этих направлений науки и является краеугольным камнем к успеху столь опасной миссии.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?