03.03.2016. - Руководство по терраформированию

Руководство по терраформированию - 1

Терраформирование. Вы наверняка слышали это слово в контексте какой-нибудь фантастической истории или встречали на сайте Hi-News.ru. Тем не менее в последние годы, благодаря подъему интереса к освоению космоса, о концепции терраформирования начали задумываться все чаще. Уже не как об отдаленной перспективе, а как о вполне реальном ближайшем будущем.

В рассказе Роджера Желязны «Ключи к декабрю» модифицированные (пушистые) представители человеческой (или уже не человеческой) расы отправляются на планету, чтобы погрузиться в переменный анабиоз в бункерах на ее поверхности, пока в течение тысяч лет будут работать устройства терраформирования, опускающие температуру на поверхности ниже нуля — как нужно этим существам. Так начинается их история. Никто пока не знает, с чего начнется история нашего — настоящего — человечества, которое пожелало превратить какую-нибудь планетку в уютный мирок, пригодный для жизни. Никто не знает, будем мы поднимать температуру на планете или опускать ее. Кроме, наверное, нескольких людей и организаций.

Когда Элон Маск утверждает, что человечеству нужно «резервное копирование», чтобы выжить; когда частные компании вроде Mars One планируют отправить людей в один конец — колонизировать Красную планету; когда космические агентства, NASA или ESA, обсуждают перспективу долговременного проживания на Марсе или Луне — тогда терраформирование становится научным фактом.

Но что такое это терраформирование? Где мы могли бы использовать этот процесс? Какого рода технологии нам нужны? Существуют ли они или нам придется подождать? Сколько ресурсов потребует терраформирование? И самое главное: каковы шансы на успех? Чтобы ответить на все эти вопросы, придется копнуть глубже. Начнем с того, что терраформирование не только почтенное понятие, но и вполне используемое людьми.

Что такое терраформирование?

Терраформирование — это процесс, который меняет недружелюбную окружающую среду (если планета слишком холодная, слишком горячая, не имеет пригодной для дыхания атмосферы) на более подходящую для жизни людей. Он может включать изменение температуры, атмосферы, топографии поверхности, экологии — или всего вышеперечисленного — чтобы планета или луна стала более «приземленной» и не убила нас моментально.

Этот термин придумал Джек Уильямсон, американский писатель-фантаст, которого называли «деканом научной фантастики» (после смерти Роберта Хайнлайна в 1988 году). Термин появился в истории под названием «Орбита столкновения», опубликованной в 1942 году в журнале Astounding Science Fiction. Это первое из известных упоминаний этой концепции, хотя косвенно о ней говорили и раньше, конечно.

Вообще, научная фантастика полна примеров изменения планетарных условий, чтобы те стали более пригодными для жизни людей. В «Войне миров» Герберт Уэллс отмечал, что марсианские вторженцы начали трансформировать экологию Земли с целью долгосрочного проживания.

Олаф Стэплдон в «Последних и первых людях» (1930) посвятил две главы описанию того, как потомки людей терраформируют Венеру по причине непригодности Земли для проживания; и в процессе терраформирования устраивают геноцид местной водной жизни. В 50-60-х годах, вместе с началом космической эпохи, терраформирование появилось во множестве работ из области научной фантастики.

К примеру, в «Небесном фермере» (1950) Роберт Хайнлайн представляет, как Ганимед трансформируется в сельскохозяйственное поселение. Это важный роман — первый, где понятие терраформирование представляется с серьезной и научной точки зрения, а не просто как фантазия.

В 1951 году Артур Кларк написал первый роман, в котором представил научной фантастике терраформирование Марса. В «Песках Марса» марсианские колонисты нагрели планету, превратив Фобос во второе солнце, и выращивали растения, которые разбивали марсианские пески с высвобождением кислорода. А в книге «Космическая Одиссея 2001 года» Кларк представил расу древних существ, которые превращают Юпитер во второе солнце, чтобы Европа смогла стать пригодной для жизни планетой.

Пол Андерсон тоже много писал о терраформировании в 1950-х. В своем романе 1954 года «Большой дождь» Венеру меняют с помощью методов планетарной инженерии в течение очень долгого времени. Книга стала настолько влиятельной, что термин «Большой дождь» (Big Rain) стал синонимом терраформирования Венеры. За этой книгой последовали «Снега Ганимеда» (1958), где экологию спутника Юпитера делают пригодной для жизни с помощью похожего процесса.

В серии «Робот» Айзека Азимова колонизацией и терраформированием занимается могущественная раса людей; этот процесс протекает на пятидесяти планетах известной Вселенной. В серии «Основание» человечество успешно колонизировало все потенциально обитаемые планеты в галактике и терраформировало их для Галактической Империи.

В 1984 году Джеймс Лавлок и Майкл Олэби написали, как считают многие, одну из самых влиятельных книг по терраформированию. В романе «Озеленение Марса» исследуется формирование и эволюция планет, происхождение жизни и биосфера Земли. Модели терраформирования, представленные в этой книге, фактически предвосхищают будущие дебаты на тему целей терраформирования.

В 1990-х Ким Стэнли Робинсон выпустил свою знаменитую трилогию на тему терраформирования Марса. Известная как «Трилогия Марса» — Красный Марс, Зеленый Марс, Голубой Марс — эта серия посвящена трансформации Марса силами многих поколений в процветающую человеческую цивилизацию. В 2012 году вышел «2312», посвященный колонизации Солнечной системы — включая терраформирование Венеры и других планет.

В популярной культуре можно найти множество других примеров, как в телевидении и прессе, так и в фильмах с видеоиграми.

Наука терраформирования

В статье, опубликованной в журнале Science в 1961 году, известный астроном Карл Саган предложил использовать методы планетарной инженерии для трансформации Венеры. Они включали засеивание атмосферы Венеры водорослями, которые могли бы преобразовывать воду, азот и диоксид углерода в органические компоненты и уменьшить нарастающий парниковый эффект Венеры.

В 1973 году он опубликовал статью в журнале Icarus под названием «Планетарная инженерия на Марсе», в которой предложил два сценария трансформации Марса. Они включали перевозку материала с низким альбедо и/или высадку темных растений на полярных шапках, чтобы те поглощали больше тепла, растаяли и превратили планету в более похожую по условиям на Землю.

В 1976 году NASA официально рассмотрело вопрос планетарной инженерии в исследовании «Об обитаемости Марса: подход к планетарному экосинтезу». В исследовании был сделан вывод, что фотосинтезирующие организмы, таяние полярных льдов, а также введение парниковых газов может быть использовано для создания более теплой, богатой кислородом и озоном атмосферы. Первое заседание конференции на тему «планетарного моделирования» было организовано в том же году.

Затем, в марте 1979 года, инженер NASA Джеймс Оберг организовал Первый коллоквиум по терраформированию — спецзаседание на 10-й конференции луно- и планетологии, которая ежегодно проводится в Хьюстоне, штат Техас. В 1981 году Оберг популяризовал концепции, которые обсуждались на коллоквиуме, из его книги «Новые Земли: реструктуризация Земли и других планет».

В 1982 году планетолог Кристофер Маккей написал «Терраформирование Марса», работу в журнале Британского межпланетного общества. В работе Маккей обсудил перспективы саморегулирующейся марсианской биосферы, которые включали необходимые методы и вопросы этики. Впервые слово «терраформирование» использовалось в заголовке печатной статьи и с тех пор стало расхожим термином.

За ней последовало «Озеленение Марса» Джеймса Лавлока и Майкла Олэби в 1984 году. В этой книге впервые описали новаторский метод утепления Марса за счет добавления хлорфторуглеродов (ХФУ) в атмосферу с целью вызвать глобальное потепление. Книга побудила биофизика Роберта Хейнса начать продвижение терраформирования в рамках более широкой концепции Ecopoiesis.

Происходящее от греческих слов «ойкос» (дом) и «пойезис» (производство), это слово означает рождение экосистемы. В контексте освоения космоса, оно включает форму планетарной инженерии, в которой устойчивая экосистема образуется на стерильной до этого планете. Как описал Хейнс, все начинается с засеивания планеты микробной жизнью, что приводит к условиям, близким к первобытной Земле. Затем импортируется растительная жизнь, которая ускоряет производство кислорода, а после и животная жизнь.

В 2009 году Кеннет Рой — инженер Министерства энергетики США — представил свою концепцию «Мира под щитом» в журнале Британских межпланетных наук. Работа «Миры под щитом — подход к терраформированию лун, малых планет и плутоидов» изучает возможность использования крупных оболочек, щитов, которые накрывают чужой мир, сохраняя его атмосферу достаточно долго, чтобы долговременные изменения пустили корни.

Эти и другие идеи, в которых мир накрывается искусственной оболочкой для трансформации его среды, называются «паратерраформированием».

Возможные места для терраформирования

В Солнечной системе существует несколько возможных мест, которые могли бы хорошо подойти для терраформирования. Помимо Земли, Венера и Марс также лежат в пределах потенциально обитаемой зоны Солнца (так называемой зоны Златовласки). Однако из-за нарастающего парникового эффекта Венеры и отсутствия магнитосферы на Марсе, их атмосферы слишком плотные и горячие, либо тонкие и холодные, чтобы поддерживать известную нам жизнь. Тем не менее теоретически это можно изменить, используя правильный вид экологической инженерии.

Другие возможные места в Солнечной системе включают несколько спутников, которые вращаются вокруг газовых гигантов. Несколько спутников Юпитера и Сатурна изобилуют водным льдом, и ученые допускают, что при повышении температуры поверхности можно создать вполне себе жизнеспособную атмосферу — за счет электролиза и введения буферных газов.

Существует даже предположение, что Меркурий и Луну (или по крайней мере их части) можно терраформировать и создать на них вполне пригодное для жизни человеческое поселение. В таких случаях терраформирование потребует не только изменение поверхности, но и, возможно, изменение их вращения. В конце концов, каждый случай имеет собственные преимущества, недостатки и вероятность успеха. Давайте рассмотрим их в порядке удаленности от Солнца.

Внутренняя Солнечная система

Планеты земного типа в нашей Солнечной системе представляют собой лучшие варианты для терраформирования. Не только потому, что расположены ближе к нашему Солнцу, а следовательно, и лучше поглощают его энергию, но и потому, что богаты силикатами и минералами — которые понадобятся любой будущей колонии для выращивания еды и построения поселений. И, как уже упоминалось, две такие планеты (Венера и Марс) расположены в пределах потенциально обитаемой зоны.

Большая часть поверхности Меркурия непригодна для жизни, поскольку температура колеблется между очень горячей и очень холодной (от 427 градусов до -173 градусов по Цельсию). Связано это с близостью к Солнцу, почти полным отсутствием атмосферы и очень медленным вращением небесного тела. Однако на полюсах температура относительно низкая (-93 градуса) из-за постоянного их затемнения.

Наличие водяного льда и органических молекул в северной полярной области также было подтверждено, благодаря данным миссии MESSENGER. Колонии можно построить в этих регионах, осуществив частичное терраформирование (паратерраформирование). Если построить купола (или один купол) достаточных размеров над кратерами Кандинского, Прокофьева, Толкиена и Триггвадоттир, северную область можно приспособить для человеческого проживания.

Теоретически это можно сделать, используя зеркала для отражения солнечного света на купола — это постепенно повысит температуру. Водяной лед растает, а в сочетании с органическими молекулами и мелким песком образует почву. На этой почве можно выращивать растения для производства кислорода, который в сочетании с азотом может дать пригодную для дыхания атмосферу.

Венера — «близнец Земли», только злой и горячий, но и он представляет массу возможностей для терраформирования. Первое предложение сделал Саган в статье в Science 1961 года. Но последующие открытия — вроде высокой концентрации серной кислоты в облаках Венеры — сделали эту идею нежизнеспособной. Даже если водоросли смогли бы выжить в такой атмосфере, преобразование плотнейших облаков из углекислого газа в кислород приведет к сверхплотной кислородной среде.

Кроме того, побочным продуктом химических реакций станет графит, который выпадет густым порошком на поверхности. В процессе сгорания он снова станет углекислым газом, перезапустив весь парниковый эффект. Однако позднее были сделаны предложения использовать методы поглощения углерода, которые, возможно, гораздо более практичны.

В этих случаях химические реакции должны преобразовать атмосферу Венеры в нечто пригодное для дыхания, снизив при этом ее плотность. Один из вариантов — ввести аэрозоль из водорода и железа, чтобы превратить углекислород в атмосфере в графит и воду. Вода выпадет на поверхность, где покроет 80% планеты — поскольку Венера имеет незначительные перепады высоты.

Другой сценарий предусматривает введение огромного количества кальция и магния в атмосферу. Углерод будет поглощен и образует кальциевые и магниевые карбониты. Преимущество такого плана заключается в том, что на Венере уже имеются отложения обоих минералов в мантии — их можно было бы вытащить в атмосферу за счет бурения. И все же большую часть минералов придется брать не на планете, чтобы снизить температуру и давление до необходимого уровня.

Еще одно предложение — заморозить атмосферный углекислый газ до точки сжижения — с образованием сухого льда — и позволить ему скопиться на поверхности. Оказавшись там, он может быть закопан и будет оставаться в твердом состоянии из-за давления. Его можно будет даже добывать для использования на планете и за ее пределами. Затем можно будет обрушить на поверхность кометы с водным льдом (например, добытые на одной из лун Юпитера или Сатурна), чтобы создать жидкие океаны на поверхности, которые будут поглощать углерод и способствовать реализации общего плана.

Наконец, есть сценарий, в котором плотную атмосферу Венеры можно убрать. Это прямой подход к истончению атмосферы, которая является слишком плотной для человеческой деятельности. Сталкивая большие кометы или астероиды на поверхность, можно выбросить плотные облака CO2 в космос, и останется меньше атмосферы, которую необходимо преобразовать.

Более медленный метод включает использование электромагнитных катапульт или космических лифтов, которые будут постепенно зачерпывать атмосферу и поднимать ее в космос либо запускать прочь от поверхности. Можно также снизить тепло и давление, ограничивая солнечный свет либо изменяя скорость вращения планеты.

Солнечное затемнение включает использование серии небольших космических аппаратов или одной большой линзы, которая будет отражать свет от поверхности планеты, снижая глобальную температуру. Для Венеры, которая поглощает в два раза больше солнечного света, чем Земля, излучение светила играет крупную роль в поддержании парникового эффекта, который мы наблюдаем сегодня.

Такая тень может быть космической, расположенной в точке Лагранжа L1 (Солнце – Венера), в которой не только будет препятствовать достижению солнечного света Венеры, но и снизит количество излучения, воздействию которого подвергается планета. С другой стороны, солнечные отражатели можно разместить в атмосфере или на поверхности. Их можно делать из больших отражающих воздушных шаров, листов углеродных нанотрубок, графена или материала с низким альбедо.

Размещение генераторов тени или отражателей в атмосфере имеет два примущества: во-первых, атмосферные отражатели можно построить на месте, используя собранный на Венере углерод. Во-вторых, атмосфера Венеры достаточно плотная, чтобы такие структуры легко плавали над облаками. Однако материала должно быть много и он должен оставаться на месте, когда атмосферу модифицируют. Помимо этого, поскольку у облаков Венеры весьма высокая отражательная способность, любой подход должен будет значительно преодолеть текущее альбедо Венеры (0,65), чтобы рассчитывать на результаты.

Предлагают также ускорить вращение Венеры. Если Венера будет вращаться быстрее и ее цикл дня и ночи сравняется с земным, планета начнет вырабатывать мощное магнитное поле. Оно снизит объем солнечного ветра (и излучения), попадающего на поверхность, сделав ее безопасней для земных организмов.

Колонизировать Луну, как ближайшее к Земле небесное тело, будет относительно легко, если сравнивать с другими телами. Но когда дело доходит до терраформирования Луны, возможности и проблемы очень схожи с Меркурием. Во-первых, атмосфера Луны настолько тонкая, что ее можно считать экзосферой. Кроме того, летучих элементов, необходимых для жизни, чрезвычайно мало (водорода, азота, углерода).

Эти проблемы можно решить путем захвата комет, которые содержат водные льды и летучие вещества, и сталкивания их на поверхность. Кометы сублимируют, рассеивая газы и водный пар, чтобы создать атмосферу. Эти столкновения также высвободят воду, которая содержится в лунном реголите и в конечном счете соберется на поверхности с образованием естественных водоемов.

Передача импульса от этих комет также ускорит вращение Луны и та больше не будет приливно заблокирована. Ускорение вращения Луны позволит создать 24-часовой суточный цикл, который, в свою очередь, упростит колонизацию и адаптацию к жизни на Луне.

Есть также возможность паратерраформирования частей Луны способом, который напоминает терраформирования полярного региона Меркурия. В случае Луны, это пройдет в кратере Шеклтон, где ученые нашли водный лед. Используя зеркала и купол, можно превратить этот кратер в место с микроклиматом, подходящим для выращивания растений и создания пригодной для дыхания атмосферы.

Марс — самое популярное место в обсуждениях терраформирования. Тому есть несколько причин, начиная его близостью к Земле, схожестью с Землей и тем фактом, что однажды его окружающая среда была очень похожа на земную — с плотной атмосферой и теплой водой, текущей на поверхности. В настоящее время считают, что Марс имеет также дополнительные источники воды под его поверхностью.

Если коротко, Марс имеет суточные и сезонные циклы, которые очень близки к тем, что мы испытываем здесь, на Земле. Во-первых, один день на Марсе длится 24 часа и 40 минут. Во-вторых, из-за похожей по наклону на нашу оси Марса (25,19 градуса по сравнению с земными 23), Марс испытывает смены времен года, которые очень похожи на земные. Хотя один сезон на Марсе длится примерно в два раза дольше, изменение температур очень похоже.

И все же Марсу потребуется мощное преобразование, чтобы люди могли жить на его поверхности. Атмосферу придется кардинально уплотнить, а ее состав — изменить. В настоящее время атмосфера Марса состоит на 96% из углекислого газа, на 1,93% из аргона и на 1,89% из азота, а давление воздуха эквивалентно всего 1% от земного на уровне моря.

Помимо этого, Марсу недостает магнитосферы, а это значит, что его поверхность получает намного больше излучения, чем мы на Земле. Считается, что когда-то у Марса была магнитосфера и ее исчезновение привело к тому, что солнечный ветер унес с собой атмосферу Марса. По этой причине, собственно, Марс стал холодным и сухим местом.

В конечном счете это означает, что если мы хотим сделать планету жилой по меркам людей, ее атмосферу придется значительно уплотнить, а планету — значительно нагреть. Состав атмосферы нужно изменить, превратить из нынешней тяжелой смеси углекислого газа до азотно-кислородного баланса 70 на 30. Атмосферу также постоянно пополнять, чтобы компенсировать потери.

К счастью, первые три требования вполне выполнимы, причем самыми разными способами. Во-первых, атмосферу Марса можно уплотнить, а планету нагреть, бомбардируя ее полярные регионы метеорами. Полюса расплавятся, выпустят запасы замороженного углекислорода и воды в атмосферу, тем самым вызвав парниковый эффект.

Введение летучих элементов, аммиака и метана поможет сгустить атмосферу и вызвать потепление. Оба вещества можно добыть на ледяных лунах внешней Солнечной системы — Ганимед, Каллисто, Титан. И тоже доставить на поверхность с помощью метеоритных ударов.

После столкновения с поверхностью аммиачный лед сублимирует и распадется на водород и азот — водород провзаимодействует с углекислым газом с образованием воды и графита, а азот выступит буферным газом. Метан между тем сыграет роль парникового газа, который усилит дальнейшее глобальное потепление. Столкновения также поднимут тонны пыли в воздух, которая будет способствовать дальнейшему потеплению.

Со временем обильные запасы марсианского водяного льда — которые можно найти не только на полюсах, но и в огромных подземных отложениях вечной мерзлоты — сублимируют с образованием воды, текущей воды. А с повышением атмосферного давления и потеплением атмосферы люди смогут жить на поверхности, не нуждаясь в сдавливающих скафандрах.

Осталось превратить атмосферу в что-то пригодное для дыхания. На это уйдет больше времени, и процесс превращения атмосферного углекислорода в кислород займет сотни лет. В любом случае варианты имеются и на этот счет, например, преобразовать атмосферу в процессе фотосинтеза — с помощью цианобактерий или земных растений с лишайниками.

Другие предложения включают строительство орбитальных зеркал, которые будут размещены близ полюсов, и направления прямого света на поверхность, чтобы вызвать цикл потепления, таяния полярных шапок и высвобождения их углекислого газа. Используя темную пыль с Фобоса и Деймоса для снижения альбедо поверхности, можно повысить уровень поглощения солнечного света.

Что-что, а как терраформировать Марс — мы уже примерно знаем. Правда, эти варианты будут доступны не завтра и не через год. Но они имеются.

http://hi-news.ru/space/rukovodstvo-po-terraformirovaniyu-chast-pervaya-vnutrennyaya-solnechnaya-sistema.html