Техническая заметка (внимание: высоконаучный текст). Наука терраформирования

Хотя концепция терраформирования Марса может казаться фантастической, она основана на вполне реальных принципах. Главным среди них является постулат положительной обратной связи – феномен, возникающий, когда результат превышает затраты. В случае с парниковым эффектом на Марсе мы имеем положительную обратную связь относительно давления (то есть плотности) и температуры атмосферы. Подогрев Марса высвободит углекислый газ полярных шапок и реголита. Этот газ уплотнит атмосферу и повысит ее способность задерживать тепло. Задержка тепла увеличит температуру поверхности и, следовательно, количество углекислого газа, который можно высвободить изо льдов и реголита. Это и есть ключ к терраформированию Марса: чем теплее становится планета, тем плотнее атмосфера, а чем плотнее атмосфера, тем теплее планета.

Чтобы понять принцип работы, взгляните на график, демонстрирующий динамику марсианской парниковой системы реголит/углекислый газ. Кривая, помеченная квадратами, представляет среднегодовую температуру как функцию атмосферного давления углекислого газа. Здесь мы видим предсказуемые результаты парникового эффекта: чем плотнее атмосфера, тем теплее планета. Кривая с ромбами показывает давление пара в почве как функцию глобальной температуры: чем теплее планета, тем больше газа испаряется на полюсах и из реголита.

Обратите внимание на две точки – А и В, в которых кривые пересекаются. Каждая из них – пункт равновесия, где атмосферное давление Марса и средняя температура (в кельвинах; для перевода в градусы Цельсия, вычтите 273: 273 К = 0 °С) взаимно согласуются. Тем не менее точка А – устойчивое равновесие, а В – неустойчивое. Это можно понять, рассмотрев динамику системы в тех местах, где графики не совпадают. Когда кривая температуры находится над кривой давления, система смещается вправо по отношению и к температуре, и к давлению. Этот вариант и является безудержным парниковым эффектом. Когда кривая температуры находится под кривой давления, система смещается влево по отношению к уменьшающейся температуре и к давлению. Тут можно говорить о ледниковом эффекте. Сегодня Марс находится в точке А с давлением 6 мбар и средней глобальной температурой около 215 К.

Теперь представьте, что случится, если искусственно повысить температуру полюсов Марса на 8 К. Результаты таких изменений показаны пунктирной кривой, помеченной треугольниками. С увеличением этой температуры сплошная температурная кривая поднимется выше к пунктирной кривой, сближая точки А и В, пока они не встретятся в пункте С. Средняя глобальная температура в точке С составит 230 К, что на 15 градусов теплее, чем в точке А.

Терраформирование Марса. Данные предоставлены организацией MATD

То есть очевидно, что 8 К, вложенные в систему, дали положительную отдачу в 15 К. Но более важно то, что новая температурная кривая находится над кривой давления по всей длине, поэтому точка С – неустойчивое равновесие. Когда это состояние достигнуто, благодаря неудержимому парниковому эффекту, все доступные объемы CO2 изо льда и реголита испарятся. Это приведет к повышению температуры и давления на протяжении всей пунктирной кривой. Как только величина давления выйдет за рамки текущего неустойчивого равновесия (примерно 200 мбар в точке В), Марс окажется в роли парника даже без искусственного подогрева. Поэтому если остановить последний позже, атмосфера все равно останется на месте.

Имея 6 мбар CO2 в нынешней атмосфере, около 100 мбар – в виде замерзшего на полюсах и 400 мбар – в реголите, у нас есть достаточно газа для создания атмосферы с давлением вдвое меньше земного. Глядя на данные графика, можно понять: при таких условиях средняя глобальная температура может подняться до 275 К, то есть несколько выше точки замерзания воды, а в экваториальных зонах и в теплое время года будет еще теплее.

Этого вполне достаточно для создания благоприятной для жизни планеты.