Освоение Марса

[AlexAV]

создание на поверхности Марса давления в 1 бар, чтобы перепад давления внутри и снаружи теплиц был минимален - это существенно упростит их сооружение и обслуживание.

Собственно проблема создания атмосферы с давление >300 мбар и есть главная для терраформирования Марса. Если это обеспечить - то приемлемый для жизни климат (не тропический конечно, ближе к какой-нибудь тундростепи острова Врангеля) будет по всей планете без всяких теплиц.

[AlexAV]

Марсу не хватает гравитации, чтобы удержать атмосферу?

Хватает. Марс может удерживать азотно-кислородную атмосферу миллиарды лет (по крайней мере при современном уровне солнечной активности), Солнце превратится в красный гигант и сожжёт всё раньше, чем он её потеряет.

А проблема - где её взять. Азота на современном Марсе слишком мало. И соответственно есть только два варианта.
1) Ориентироваться только на ресурсы самой планеты. Но тогда из газов пригодных для создания атмосферы в нужных количествах есть только чистый кислород (тот который нас интересует - сейчас в форме карбонатов и сульфатов).
2) Доставлять из космоса. Сложность здесь в том, что азотный и аммиачный лёд в кометном веществе - лишь относительно небольшая примесь. Кроме того, как доставить такое огромное количество вещества - непонятно.

Я и говорю - остров Врангеля непригоден для сельского хозяйства. Придётся применять теплицы.

Я бы сказал что не остров Врангеля не пригоден для сельского хозяйства, а наше сельское хозяйство непригодно к о.Врангеля. С тундростепью связан такой относительно продуктивный биотоп как скажем мамонтовая степь периода плейстоцена. А если биогеоценоз обеспечивает какую-то приемлемую первичную продуктивность, то найти способ использовать её для своей пользы - возможно.

[AlexAV]

Какую атмосферу можно получить из такого материала? Атмосфера из водяного пара?

Устойчивая на геологически больших промежутках времени атмосфера у планеты вроде Земли или Марса может состоять из азота, кислорода и благородных газов (кроме гелия) и углекислого газа (но только в отсутствии жидкой воды!). Так что вариантов не очень много. С учётом того, что благородные газы брать вообще негде, то выбор вообще не богат.

Отдельно надо сказать про углекислый газ. Плотная углекислая атмосфера с наличием жидкой воды несовместима. Т.е. в этих условиях углекислый газ сравнительно быстро поглощается в результате выветривания силикатных пород с образованием карбонатов. Правда процесс этот быстрый только по геологическим меркам. Для связывания углекислой атмосферы в 1 бар (при температуре более-менее близкой к земной и наличие жидкой воды) нужно несколько десятков миллионов лет (в абиогенных условиях, при наличие жизни процесс может ещё ускориться).

Аммиак и  метан в атмосфере вообще нестабильны и разрушаются из-за фотолиза за время не превышающее нескольких сотен лет.

Диоксид серы.

Диоксид серы в присутствии воды даёт куда более сильную, чем угольная, сернистую кислоту. Он будет связываться породой на несколько порядков быстрее углекислой атмосферой. Т.е. такая атмосфера будет вообще нестабильна, поглощаясь минералами коры планеты всего за несколько сотен или тысяч лет.

[AlexAV]

Азот в достаточных количествах негде взять.

По азоту. Вот данные по составу кометного вещества (http://www.astro.caltech.edu/~waszczak/Waszczak_H_and_N_paper.pdf):



Т.е. соотношение Вода : аммиак там около 100:1. У "свежих" объектов из дальней части пояса Койпера и облака Оорта, вероятно, может быть получше (с учётом азотного льда), т.е. вплоть до соотношения 10:1 (т.е. для типичного для межзвёздного вещества соотношения количеств кислорода и азота). Количество азота необходимого для создания на Марсе атмосферы в 1 бар равно 3.9 10¹⁸ кг. При таком неблагоприятных концентрациях азота в ледяных телах очень много вещества туда надо доставить... Кроме того с азотом будет поступать слишком много явно ненужной для Марса воды...

Остаётся только кислород.

С кислородом проще. Собственно материал нужный для его образования на планете уже есть в достаточном количестве. Кроме того здесь теоретически возможно "дешёвое терраформирование", т.е. если найти фотосинтезирующую форму жизни способную жить на современном Марсе, то она сможет трансформировать его атмосферу и постепенно создать достаточно плотную кислородную атмосферу сама без малейшего нашего дополнительного участия.

Атмосфера из чистого кислорода? К чему это может привести?

Повышенной пожароопасность по сравнению с обычной азотно-кислородной. По большей части других отличий не будет.

[AlexAV]

А если запуливать с Титана с помощью тросовой системы?

Тогда уж лучше с Плутона (азотный лёд там точно есть). А Титан находится в глубокой гравитационной яме Сатурна.

[AlexAV]

Зато вращение Титана можно использовать для компенсации орбитальной скорости.

Титан очень медленно вращается вокруг оси (как и у Луны его вращение синхроннизовано). Кроме того, чтобы что-то просты выбросить из гравитационной ямы Сатурна на орбите Титана ему надо сообщить 2,3 км/с. А это на пределе возможностей тросовой системы.

Плутон же вращается вокруг оси быстрее Титана, не находится в столь глубокой гравитационной яме и дальше Сатурна от Солнца (а значит имеет меньшую орбитальную скорость). С точки зрения запуска чего-либо с помощью тросовой системы во внутренние области солнечной системы он куда более удобен.

[AlexAV]

AlexAV, а из чего Вы планируете получить кислород для марсианской атмосферы? Насколько я понял, - из СО2, составляющего 95% нынешней марсианской атмосферы. Но она и так мала, а если из неё ещё и углерод изъять, то она уменьшится ещё примерно на четверть.

На Земле есть два геохимических цикла, обеспечивающих поддержание количества свободного кислорода в атмосфере.

1) CO₂ = [C] + O₂ (фотосинтез с захоронением не окисленного углерода)
2) CO₂ = [C] + O₂
    Fe₂O₃ + SO₄^2- + [C] = FeS₂ + CO₂ (фотосинтез + сульфаредукция с захоронением пирита)

Так вот, на Марсе очень много сульфатов и сульфитов (намного больше чем на Земле), что скорее всего сделает второй цикл  - основным. А в нём по сути кислород образуется из сульфатов и оксидов железа с захоронением неокисленной серы и железа.

Кстати это обычный биогеохимический цикл. При высоком содержании сульфатов в среде и наличие жизни (фотосинтезирующих организмов и сульфаредуцирующих бактерий) будет идти сам без малейшего нашего участия.

Кроме того, исследования требует и метановый цикл (по некоторым оценкам в архее он играл определённую роль в накопление кислорода в атмосфере Земли, на Марсе в силу малой гравитации он будет ещё более эффективен):

CO₂ = [C] + O₂ (фотосинтез)
[C] = CH₄ + CO₂ (метаногенез)
СH₄ + H₂O = CO + CO₂ + H₂ (фотолиз в верхних слоях атмосферы)
При этом водород диссипирует  в космическом пространстве (Земля и уж тем более Марс водород удерживают плохо), а кислород накапливается в атмосфере.

Так что потенциальные источники кислорода есть и без большого количества углекислого газа в атмосфере (опять же кроме углекислого газа в атмосфере существуют и потенциально доступны карбонаты коры, количество которых вероятно намного превышает количество свободного углекислого газа в атмосфере).

Само же добытое железо понадобится колонистам для сооружения конструкций и механизмов.

Никаких конструкций и механизмов. Только пару пробирок со спорами специально выведенных для марсианских условий лишайника, бактерий-сульфаредукторов и метаногенов. Они запустят необходимые геохимические циклы сами и сделают всё без малейшего нашего участия.

А я пока не вижу сколь-нибудь значительной выгоды в добавке такого количества азота в марсианскую атмосферу.

Большое давление азота (атмосферы три) повысит парниковый эффект и сделает климат существенно более мягким. Так что смысл есть. Но это действительно сложно и дорого.

[AlexAV]

Кроме того, исследования требует и метановый цикл (по некоторым оценкам в архее он играл определённую роль в накопление кислорода в атмосфере Земли, на Марсе в силу малой гравитации он будет ещё более эффективен):

Вот собственно работа о потенциальной роли биогенного метана в накопление кислорода на ранней Земле (через фотолиз в верхних слоях атмосферы и диссипацию водорода в космическое пространство): http://atmo.tamu.edu/class/geos489/lecture3/Catling_etal_2001.pdf

[AlexAV]

Навряд ли: сульфатфиксаторы - строгие анаэробы, как только в атмосфере появится кислород - вымрут.

На земле почему-то им забыли об этом сообщить. Сульфаредукторы - обычный и очень распространённый элемент почвенной флоры.

Это действительно анаэробы, вот только в почве всегда существует эти самые анаэробные зоны, необходимые им для жизни. Кислород этому совершенно не препятствует.

[AlexAV]

И сколько времени может занять сей процесс?

Вот геохимические потоки кислорода на современной земле по источникам образования и стока:



Если ориентироваться на них, то несколько десятков миллионов лет.

[AlexAV]

Никак не возьму в толк - как же всё-таки Вы планируете получать кислород сульфатредукцией.

Собственно также, как происходило на Земле в течение миллиардов лет (это второй по значимости источник кислорода в атмосфере после накопления неокисленного углерода).

1) Первая стадия. Фотосинтез, т.е. СO₂ = [C] + O₂, связывание углерода растениями в органическое вещество с выделением кислорода.
2) Вторая стадия. Захоронение органического вещества в анаэробных зонах.
3) Третья стадия. Разложение органического вещества в анаэробных зонах в присутствии сульфатов в результате жизнедеятельности бактерий-сульфаредукторов. Т.е. SO₄^-2 + [C] = H₂S + CO₂. При этом углекислый газ возвращается обратно в атмосферу и может снова участвовать в первой стадии цикла.
4) Реакция сероводорода с оксидами железа в результате жизнедеятельности железобактерий, т.е. Fe₂O₃ + H₂S = FeS₂ + H₂O. Образующийся при этом пирит захороняется в породе навечно.

Суммарный процесс выглядит так Fe₂O₃ + 4SO₄^2- = 2FeS₂ + 15/2O₂

[AlexAV]

Кислородная атмосфера без азота не продержится?

Продержится. Проблема в приемлемом для жизни давление такой атмосферы.

Чем кислородная безазотная атмосфера не устраивает?

В случае кислорода предельное давление, когда она ещё относительно безопасен  200 - 500 мбар. В чистом кислороде же при давление свыше 1 атм горит вообще всё от влажной биомассы до стальных конструкций. А при таком низком давление парниковый эффект будет довольно низким, а климат весьма холодным.

Всё же терраформирование по "высшему разряду" требует плотной азотной атмосферы, а чистый кислород, это так скажем, "бюджетный вариант".    

[AlexAV]

поэтому сильно сомневаюсь, что во всех сульфатах, находящихся более или менее вблизи поверхности Марса, наберётся достаточно кислорода.

И зря. На Марсе сульфатов не просто много, а очень много. Данные анализов дают 5-10% от массы грунта (преимущественно сульфат магния). С учётом, что в пиритном цикле 1 кг сульфата магния может дать 0,5 кг кислорода, то для выделения кислорода эквивалентного по массе атмосфере в 1 бар, хватит сульфатов содержится в верхних 100 - 200 метрах грунта. Это не очень большая величина.

[AlexAV]

Оксидов железа больше примерно вдвое.

А какая разница, если всё равно достаточно.

Во-первых, ничего себе, "не очень большая"!

Небольшая. На земле осадочный чехол (а это породы прошедшие биогеохимический цикл) достигает нескольких километров.

А во-вторых, и в-главных - пирит имеет свойство окисляться.

Как и неокисленный углерод. Что однако не мешает поддерживать большое количество свободного кислорода в атмосфере земли уже миллиард лет. Опять же чтобы окислиться эти осадки должны будут попасть на поверхность. И при очень вялой тектонике характерной для Марса влияние этого обратного процесса будет очень невелико.

[AlexAV]

Кстати, а как Вы получили значение 3,9*10^18 кг массы азота для атмосферы Марса? Очень похоже на массу атмосферы Земли.

Это очень просто оценивается. M = PS/g. М - масса атмосферы (в кг). P - давление в Па. S - площадь планеты (в м2). g - ускорение свободного падения на планете, для Марса g = 3.7 м/с2.

Достаточно ли давления в 1 бар? Что даст повышение давления до 3 атм? Станет теплее?

Да, станет теплее.

Названная Вами величина - это вся масса атмосферы или только азот?

Любого газа создающего парциальное давление у поверхности в 1 атм.

Не приведёт ли повышение давления кислородно-азотной атмосферы к повышению пожароопасности?

Зависит от соотношения азот/кислород. Но в любом случае в намного меньшей степени, чем чистый кислород.

Допустим, мы высаживаем на ней колонию бактерий. Сколько времени этой колонии понадобится, чтобы сожрать эту жилу на глубину сотен метров? И сожрут ли? Или так загадят её собственными отходами, что не смогут дальше продвигаться?
Где они будут брать углерод на глубине нескольких сотен метров, если там нет фотосинтезирующих бактерий, разлагающих СО2, выделяемый сульфат-редукторами?

Сожрут, хотя и не сразу. Не забывайте об эрозии  и переносе вещества (сейчас ветровой, по мере роста давления добавится ещё и водная).

Опять же, несколько сот метров - это в среднем.
Т.е. где-то ноль, а где-то придётся бактериям углубиться на километр и больше.

Самые сложные первые несколько десятков мбар. А затем появится жидкая вода с водной эрозией и переносом хорошо растворимых сульфатов в низменные солёные озера (где в донных осадках в основном процесс сульфаредукции и будет идти). Процесс пойдёт достаточно быстро.

[AlexAV]

Полагаю, что всё-таки процесс пойдёт по более техногенному пути: создание отдельных замкнутых биосфер с поселенцами, которые будут использовать железо для создания своих теплиц, а добытый из оксидов железа кислород - для создания в теплицах земной атмосферы. Для таких объёмов не потребуется так много кислорода и азота, как для полноценной атмосферы.

В этот путь я вообще не верю. Слишком, просто невменяемо, дорого. Такая колония неминуемо придёт к полному банкротству, т.е. просто не сможет производить столько, чтобы обеспечить полное воспроизводство сверхсложной инфраструктуры. Отдельный вопрос по концентрированным источникам сырья...

Никакая цивилизация вне планеты с биосферой видимо существовать не способно (и известный парадокс Ферми здесь является лучшим доказательством, если бы это было не так - они уже были бы здесь ).

[AlexAV]

Интересно, что затраты на терраформирование 1 м2 планеты меньше, чем на создание 1 м2 этих теплиц с искусственными биосферами. А средние эксплуатационные так вообще несравнимы (если разделить затраты на терраформировние на 1 млрд. лет и сравнить с эксплуатационными искусственного СЖО ).

Даже  в варианте максимум с созданием плотной азотной атмосферы на Марс надо просто закинуть что-то азотосодержащее в количестве 30 - 100 т/м2 поверхности, занести жизнь и после установления равновесия можно в ближайшие 4-5 млрд. лет о СЖО не беспокоиться. Один м2 искусственной биосферы даже по сравнению с этим качественным вариантом маловероятно, что будет дешевле даже по первоначальным вложением.

Единственная проблема, что планету можно терраформировать только всю оптом, только маленький кусочек не получится.

[AlexAV]

А вот если попроще - допустим молния в атмосфере из чистого кислорода при таком давлении - какие эффекты будет вызывать? В смысле последствия каковы будут если она в землю ударит допустим?

Если плотность горючих веществ будет превышать критическую - к пожарам, которые будет практически не возможно потушить. Будет гореть до тех пор пока всё не выгорит. Отличие от земной атмосферы сейчас здесь в том, что надо считать горючим. Живая биомасса естественной влажности в земной атмосфере очень плохо поддерживает горение, а вот в чистом кислороде с повышенным давлением - очень даже.

[AlexAV]

Я к тому, что не уничтожит ли биосфера сама себя таким образом.

На самом деле парциальное давление кислорода в атмосфере поддерживается довольно тонким механизмом регуляции связанным со скоростью окисления и горения органики. Собственно благодаря этому в течение фанерозоя количество кислорода колебалось только в весьма узком коридоре 15-25% (только в отдельные очень короткие падало до 12% или росло до 30%). При снижение концентрации резко падает скорость окисления пород и органических отложений, что создаёт условия к накоплению кислорода в атмосфере (из-за сокращения стока). При высоких резко растёт скорость окисления и начинаются пожары, которые её сокращают. Механизм с обратной отрицательной связью.

В теории атмосфера с очень высокой концентрацией кислорода может быть опасна и для биосферы в целом, но естественным путём она до такого состояния никогда не дойдёт (обратные связи остановят рост концентрации раньше).

[AlexAV]

Аммиак будет там балансировать между жидким, твёрдым и газообразным состоянием, как вода на Земле.

Да это вообще неинтересно. Аммиак в атмосфере нестабилен и быстро подвергается фотолизу. Аммиачная атмосфера очень быстро превратится в азотную.

Поэтому аммиак просто так оставлять на Марсе нельзя - его надо разлагать на азот и водород.

Сам разложится. Без малейшего нашего участия.

Ждать, пока это сделает фотолиз - долго.

Не особо. Аммиак не вода. Разложение идёт практически необратимо (обратная реакции при обычных условиях практически не идёт). Не более нескольких столетий.

отделяемый водород будет просто уноситься в космос.

Да. Но он собственно нам совершенно не нужен и неинтересен. Главное что азот останется на месте.

Кстати, я тут прикинул быстренько, у меня получилось, что для того, чтобы создать на Марсе атмосферу с парциальным давлением 1 бар у поверхности, и привычным нам содержанием азота 75%, нам понадобится 5,2 млн.куб.км. аммиачного льда. Т.е. это должен быть шар чистого аммиачного льда радиусом 107 км.

Ну, да... Геологический масштаб как он есть.

Если же в этом теле будет 1% аммиака, то тело должно быть радиусом 500 км. Это целая карликовая планета! Найдём ли мы такую?

Есть. Плутон, Харон, Эрида, Седна и ещё длинный список.

Кстати, вода, занесённая этим телом, была бы вовсе не лишней - она бы покрыла всю поверхность планеты слоем 2,7 км. Но на самом деле почти вся эта вода скопилась бы в Большом Северном Океане.
Кстати, так были бы довольно мягкие условия: разница температур лета и зимы в северном полушарии и сейчас меньше, чем в южном, а наличие океана добавляло бы климату стабильности.

Лишняя. Проблема не в том, что вода покроет всё планету, а в том, что для поддержания стабильного климата на внешней границе зоны жизни лучше подходит планета с малым количеством воды. На планете с большим есть тенденция к формированию больших полярных шапок, росту альбедо и сваливанию к состоянию планеты-снежка. Ничего хорошего. Планета же бедная водой намного устойчивее к такому патологическому развитию событий.

Избыток воды сделает климат Марса не лучше, а хуже. Для марсианской инсоляции то количество воды которое есть там сейчас видимо близко к оптимальному.

По этому вопросу очень рекомендую ознакомиться с этой статьёй: Yutaka Abe, Ayako Abe-Ouchi, Norman H. Sleep, and Kevin J. Zahnle Habitable Zone Limits for Dry Planets