Освоение Марса

[AlexAV]

Если разделить массу атмосферы даже на миллионы лет, и даже на десятки миллионов лет, то получится в любом случае столь большая цифра, что затраты будут слишком велики для практической реализации

Несколько сотен миллионов тонн в год. Это конечно много, но вполне соизмеримо с теми объёмами вещества, которые используются нашей цивилизацией ежегодно.

Здесь интересный момент может оказаться в том, что сравнительно мала примесь какого-то газа в принципе может очень резко повлиять на этот объём за счёт охлаждения термосферы (какой-нибудь сильный парниковый вроде тетрафтористого углерода). Т.е. вопрос о возможности поддержания жизнепригодных условий на луне за счёт постоянного, но сравнительно небольшого, искусственного вмешательства на самом деле совсем не прост и ответ здесь не очевиден.

[AlexAV]

Наверное, давно пора проверить экспериментально. На небольшом объёме  различных газов. С контролем малых количеств ..

Чтобы по нему можно было бы о чём-то судить надо, чтобы граница мезопаузы находилась заметно выше поверхности (уж не говоря об экзобазе). А для этого нужно не такое уж и малое количество газа...

[AlexAV]

А если речь идёт о кислороде, то хорошо, если он продержится хотя бы несколько тысяч лет.

Вообще-то когда я говорил о нескольких миллионах лет - речь шла о кислородно-азотной атмосфере. С криптоном речь наверное уже будет идти о миллиардах (правда где столько криптона взять неясно).

О какой термосфере речь идёт, если высота верхних слоёв лунной атмосферы столь большая, что там и без температур газ просто выльется как вода из наклоненного ведра.

Это не имеет никакого отношения к реальности. Выше мезопаузы действительно будет реализоваться гидродинамический режим потерь, но тот который называет "слабым", т.е. контролируемы притоком энергии в термосферу, а т.к. этот приток на самом деле очень мал (и ещё частично будет уходить через теплопроводность и излучение), то атмосферу (даже кислородно-азотную) Луна будет терять весьма  медленно.

Если бы ионизирующего излучения не было вообще, то температура верхних слоёв была бы равна температуре мезопаузы и в этих бы условиях Луна могла бы держать атмосферу практически вечно. Из-за его наличия потери будут по SHE-механизму, но так как приток энергии в верхние слои - мал, то не очень быстрые (требующие всё же геологического масштаба времени).

Короче свободная безо всяких куполов и прочих астроинженерных приспособлений  лунная атмосфера - совершенно нереальна

У Вас есть модель диссипации атмосферы Луны с учётом фотохимии, что Вы утверждаете так уверенно? У меня скажем такой уверенности нет.

[AlexAV]

Вообще в плане удержания атмосфер тела можно разделить на три группы:

1) При равновесной температуре термосферы имеют место потери только по джинсовскому и надтепловым механизмам. Такие тела способны держать атмосферу как правило условно-вечно (Земля, Венера, Марс и т.д.).
2) При температуре мезопаузы тело бы теряло атмосферу только по слабому джинсовскому каналу, при равновесной температуре термосферы потери идут по гидродинамическому механизму (в этом случае говорят об SHE-механизме). Скорость потери атмосферы контролируется обычно слабым притоком энергии в термосферу. В зависимости от величины этого притока и путей ухода энергии оттуда скорость диссипации может варьировать в широких пределах (но как правило всё же речь о геологически больших промежутках времени, миллионах лет, хотя значительно меньших, чем время жизни солнца). Это как раз случай Луны.
3) Режим гидродинамических потерь реализуется уже при температуре мезопаузы. Такое тело теряет атмосферу очень быстро и можно говорить, что тело вообще не способно её удерживать.

[AlexAV]

Луна в вашем понимании - это тело лунной плотности примерно в 4500 километров в диаметре. А Марс в вашем понимании - это тело марсианской плотностью с диаметром около 8000 километров.

Нет. Луна - это наша Луна, а Марс - это наш Марс.

Я может более примитивно здесь рассуждаю, но лучше пользоваться, по-моему, наглядными примерами, потому что теория слишком сложна для разбирательства в коротких постах и все равно можно чего-то не учесть.

Что касается Марса - то механизмы и скорость диссипации его атмосферы достаточно хорошо изучены. Здесь достаточно изучить соответствующую литературу. Скажем смотрите  здесь или здесь. Общий вывод - потери в основном идут из горячей кислородной короны, формируемой за счёт быстрых атомов, фозникающих в фотохимических и ион-молекулярных реакциях. Темпы диссипации не превышают несколько миллибар за миллиард лет. Для сколько-нибудь приличной атмосферы - это ничто, т.е. Солнце сожжёт всё здесь раньше, чем Марс потеряет атмосферу (данный механизм кстати к небольшим  изменениям толщины атмосферы, т.е. к давлению на поверхности практически нечувствителен). Т.е. как раз первый вариант из перечисленных.

Луна при отсутствии ионизирующего излучения Солнца то же удерживала бы атмосферу вечно (при этом температура бы верхних слоёв атмосферы была бы равна приблизительно 180К). Т.к. это излучение всё же есть - она будет её терять скорее всего по гидродинамическому механизму. Вот только поток этого излучения поглощаемого в термосфере составляет всего 3,5 эрг/см2 с. Только эта энергия будет работать на вырывание атмосферы из поля тяжести Луны (причём далеко не вся, часть её будет просто переизлучаться в ИК и уходит). В результате просто в силу закона сохранения энергии атмосфера будет теряться достаточно медленно.

И недооцениваете солнечную активность.

А что тут переоценивать или недооценивать? По аналогии с Землёй выше мезопаузы поглощается 3,5 эрг/см2с энергии. Исходя из этого энергетического бюджета можно и оценивать верхнию границу скорости диссипации (чтобы вырвать газ из поля тяготения нужно затратить энергию, при этом надо цчитывать, что большая часть этой энергии пойдёт на атомизацию газа, т.е. на теплоту реакций типа O2 = 2O).

[AlexAV]

Солнце раньше было активнее? Не достаточно надёжный аргумент.

Именно так. Причём, это даже не аргумент, а просто факт, следующий как из современных моделей эволюции звёзд, так и подтверждённый астрономическими наблюдениями. Посмотрите скажем эту работу (http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0412253v1.pdf).

В ходе эволюции Солнца его активность в коротковолновом диапазоне снижалась как:



\tau - возраст солнца.

В течение пренойской и нойской эры активность солнца превышала современную более чем в 10 раз. На ранних этапах - вообще в сотни раз. Это с точки зрения условий удержания атмосферы планетой - очень серьёзно. Вот тогда Марс почти всё, что можно (первичные инертные газы, азот и т.д.) и потерял. Начиная же уже с гесперийской эры потери атмосферы судя по всему были не очень велики. Но к тому времени от былой роскоши уже остались лишь руины. Это всё ещё более усугубилось исходно относительно малыми объёмами дегазации и сравнительно быстрым затуханием геологической активности. В результате, после момента, когда солнце снизило свою активность до уровня совместимого с долговременным удержанием атмосферы Марсом, уровень вулканизма и кумулятивный объём выделявшихся при нём газов для создания достаточно плотной атмосферы из не связываемых литосферой газов уже не хватил. А оставшийся углекислый газ был по большей части постепенно связан литосферой планеты. В результате имеем, то что имеем.

При современной же активности Солнца Марс может удерживать атмосферу практически вечно.

Если кислород убегает несколько миллибар в миллиард лет, то аргон должен убегать несколько миллибар, эдак в 100 миллиардов лет. Атомная масса аргона 40 против 16 у кислорода даст его стойкость к убеганию как минимум на порядок больше. А он ещё, наверное, и испытывает трудности в попадании в верхние слои атмосферы из-за плотности.

Так и есть. Только большая часть аргона в атмосфере не первичная, а радиогенная. Он образовался в результате распада К-40. И здесь есть такой момент, который заключается в том, что если распад произошёл внутри твёрдого тела, то образующийся атом аргона довольно надёжно удерживается им и практически не имеет никакого шанса попасть в атмосферу.  В атмосферу он попадает лишь при эрозии или переплавке этого материала. В связи с быстрым затуханием вулканизма и его незначительностью в амазанийской эре, а также отсутствием водной эрозии в этот период, поступление радиогенного аргона из горных пород в атмосферу на Марсе и оказалось существенно меньше, чем на Земле. Радиогенный Ar-40 там не ушёл в космос, а просто не имел возможности по большей части выйти из литосферы в атмосферы. Поэтому его там и меньше, чем на Земле.

[AlexAV]

Грунт на Марсе сильно радиоактивен? Радиоактивен ли он на какойто глубине (10-30 см) от поверхности?

В не большей мере, чем лунный реголит. Откуда там радиоактивности взяться (кроме естественных радионуклидов - урана, тория с цепочками их распад, калия)? Активация же за счёт взаимодействия с космическими лучами крайне незначительна в силу хотя бы очень низкой плотности потока в этих лучах.

[AlexAV]

Это объясняется выгоранием дейтерия, гелия-3 и лития? Или какими-то другими процессами?

Периодом обращения вокруг оси и, как следствие, магнитным полем. Чем сильнее магнитное поле - тем больше нагрев верхних слоёв звезды (хромосферы и короны) и тем больше оно излучает коротковолнового излучения. По мере своей эволюции звезда постепенно теряет момент количества движения в  следствие солнечного ветра, её вращение замедляется, магнитное поле уменьшается, и в результате интенсивность коротковолнового излучения тоже падает.

[AlexAV]

А по поводу молодого активного Солнца... Очень ещё важно понять,  в чем выражается воздействие более активного солнца на атмосферу, каков механизм.

Главный результат роста активности солнца - рост температуры термосферы и резкое увеличение высоты экзобазы. Как следствие начинают сильно расти потери атмосферы по тепловым механизмам (джинсовскому или гидродинамическому, в зависимости от интенсивности излучения, массы планеты и состава атмосферы). Причём очень сильно и нелинейно. Попросту механизмы охлаждения термосферы как правило имеют насыщение, т.е. могут сбросить лишь ограниченную мощность, в результате если поглощаемая мощность коротковолнового излучения превышает этот порог, то избыток энергии который не может быть ею переизлучён в ИК или отдан теплопроводностью в мезосферу начинает тратиться на ускорение газа и вырывание его из поля тяжести планеты, потери атмосферы начинают резко и катастрофически увеличиваться.

Скажем скорость диссипации углекислого газа из атмосферы Марса по тепловым механизмам в течение времени менялась таким образом (http://download.hao.ucar.edu/pub/stans/papers/TianGRL2009.pdf):


Как видите при изменение активности в 2,3 раза (в диапазоне времен от 4,2 до 3,9 млрд. лет) интенсивность потерь изменяется на несколько порядков.

[AlexAV]

Да, и не исключено, что я сильно занизил потенциальную урожайность - 1 гектар на человека.

Для такого парника урожайность можно оценить по коэффициентом конверсии солнечного излучения в энергию биомассы. Для С4 растений в благоприятных условиях до 6%-7%, для С3 - поменьше. Эту цифру нужно домножить на долю пищевой биомассы к полному приросту.

[AlexAV]

Комментарий модератора раздела

Отделил сообщения по вопросам ядерной энергии, реакторов и РИТЭГ в отдельную тему.

[AlexAV]

Комментарий модератора раздела

Удалил сообщения не относящиеся к тем. Предлагаю всё же в теме о Марсе - обсуждать Марс. А тему ХЯС и LENR, без ссылки на работы в хороших реферируемых изданиях, в этом разделе вообще лучше не обсуждать.

[AlexAV]

Интересно, куда упрятаны на Земле все остальные углеродные массы, чей СО2 был когда-то был источником современной кислородной составляющей атмосферы. Ведь разведанных ресурсов угля, нефти, газогидратов и природного газа, горючих сланцев, битумов, асфальтов и алмазов явно маловато.

Нефть, газ и уголь - это лишь крохи от не окисленного углерода литосферы.  Основная часть - рассеянный углерод. Любая осадочная порода (глина, известняк, любая другая) всегда содержит небольшое количество органического вещества. Его концентрация невелика, но общее количество в литосфере огромно. Плюс к этому надо учитывать, что часть органического вещества ушла в мантию в зонах субдукции.

[AlexAV]

Но органика и её составляющие - это лёгкие вещества (в основном), т.е. они держатся под литосферными плитами и должны выноситься вверх.

На большой глубине она будет вступать в реакции с оксидами железа:

2FeO + C = 2Fe + CO2

Углекислый газ в конце-концов вернётся в атмосферу, а вот восстановленное железо по большей части останется там.

[AlexAV]

На каждый атом углерода минимум 2 атома водорода в цепи углеводородов. Где вода?

По мере погружения и нагрева органическое вещество подвергается пиролизу и распадется в конечном итоге (преимущественно) на метан, воду и графит. Метан и вода будут в значительной мере уходить на поверхность. Небольшая часть потока продуктов такого пиролиза накапливается в ловушках и образует месторождения нефти (при низкотемпературном пиролизе образуется не только метан, но и более тяжёлые углеводороды) и газа, большая - просто рассеивается.  А графит будет продолжать опускается.

[AlexAV]

И какая же часть вещества земной коры участвует в процессах поднятия-опускания- 1%, 0,1% ?

Вся океаническая кора. Она совершает глобальный цикл выплавляясь на срединно-океанический хребтах и уходя в мантию в областях контакта с материковыми плитами (вместе с накопившимися на ней осадочными отложениями). С учётом, что средний возрасти океанической коры менее 100 млн. лет, то за время существования Земли в такой цикл был вовлечён объём породы превосходящий массу земной коры.

Само обособленное существование гранитов и базальтов как бы указываетна то, что подобные процессы не имеют
существенного значения.

Нет. Плотные базальты океанической коры постоянно уходят под менее плотные граниты материковой. Данный цикл - один из ключевых геохимических циклов на нашей планете.

[AlexAV]

Не совсем понятно ,каким образом определен возраст пород океанической коры

Например калий-аргоновым методом.

Как раз на глубине(и даже не очень большой) более вероятна обратная реакция, которая и может служить
источником свободного углерода в литосфере.

Действительно, с металлическим железом я несколько преувеличил. Так глубоко углерод железо в мантии железо действительно не восстанавливает. А вот равновесие в процессе 2Fe2O3 + C = 4FeO + CO2 там смещено в сторону углекислого газа (доля трёхвалентного железа в мантии около 0,05). А далее работает гравитационная дифференциация.  Конечный итог тот же. Углерод совершил цикл общим результатом которого стало некоторое восстановление железа мантии и накопление кислорода в атмосфере.

[AlexAV]

перхлорат по сути отрава

Некоторые бактерии умеют использовать перхлораты как акцептор электрона для дыхания. Им от перхлоратов не плохо, а наоборот хорошо. Так что отрава далеко не для всех.

Кое-что о таких микроорганизмах: http://knigilib.net/book/36-mikrobiologichnij-zhurnal-tom-72-4-naukovij-zhurnal/7-osobennosti-metabolizma-bakterij-vosstanavlivayushhix-xloraty-i-perxloraty.html 

[AlexAV]

Свежий обзор по проблеме климата раннего Марса: https://www.nature.com/articles/s41561-018-0093-9

Основные выводы - наблюдаемый факты говорят, что на протяжение Нойской и в начале Гесперийской эры Марс имел гидрологический цикл сходный с Землёй, хотя скорее всего был существенно суше. При этом геологические данные и результаты климатического моделирования свидетельствуют против существования значимых по размеру ледовых щитов на Марсе прошлого, что по всей видимости ограничивает количество воды на раннем Марсе эффективным слоем не более 200 м (т.е. исходно на Марсе воды было немного, значительно меньше чем у Земли, для которой этот параметр составляет около 2800 метров). Механизм обеспечивающий сравнительно тёплый климат раннего Марса всё ещё не до конца ясен. Наилучшим объяснением сейчас является гипотеза богатой водородом атмосферы. Т.е. из всех сколько-нибудь реалистичных вариантов необходимые условия даёт по сути только атмосфере состоящая из смеси СO2 и H2 c долей водорода >5%.

Последнее кстати позволяет хорошо объяснить и быстрый переход Марса к современному состоянию по мере затухания тектонической активности, водород слабая марсианская гравитация удерживает плохо, плюс его Марс будет терять по гидродинамическому механизму, а в этом случае поток лёгкого газа может увлекать и вести к потере молекул тяжёлого, который бы сам по себе планетой хорошо удерживался бы (исчезновение большого объёма более тяжёлых газов, скажем азота, без этого дополнительного механизма связанного с увлечением потоком водорода для Марса очень сложно объяснить, попросту по сути ни одна модель диссипации не даёт темпы его потерь более нескольких десятков мбар за миллиард лет, т.е. даже марсианской гравитации для удержания плотной атмосферы таких газов самих по себе было бы достаточно).

[AlexAV]

Значит водород должен обнаруживаться в микрополостях марсианских пород. В метеоритах тех же. Или это нереально по причине того, что водород просачивается через любые материалы?

Маловероятно. Он достаточно быстро диффундирует в большинстве материалов, а эпоха богатой водородом атмосферы была очень давно, несколько миллиардов лет назад. Весь водород от той эпохи давно уже их грунта  вышел и рассеялся в космическом пространстве.