Освоение Марса

[ВадимZero]

Чтобы его оправдать, результат должен быть исключительно велик.

Существование стабильной атмосферы в течении милиардов лет, более чем исключительный результат.

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

Альтернативы азоту просто нет.

[shuricos]

Альтернативы азоту просто нет.

Чем кислородная безазотная атмосфера не устраивает?

Существование стабильной атмосферы в течении милиардов лет, более чем исключительный результат.

Кислородная атмосфера без азота не продержится?

[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.

[shuricos]

На Марсе сульфатов не просто много, а очень много. Данные анализов дают 5-10% от массы грунта (преимущественно сульфат магния).

Оксидов железа больше примерно вдвое.

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.

Во-первых, ничего себе, "не очень большая"!
А во-вторых, и в-главных - пирит имеет свойство окисляться. Т.е. в кислород из атмосферы будет изыматься, а сера напротив - будет поступать в воздух.

[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.

[shuricos]

Оксидов железа больше примерно вдвое.

А какая разница, если всё равно достаточно.

В том-то и вопрос - достаточно ли?

Кстати, а как Вы получили значение 3,9*10^18 кг массы азота для атмосферы Марса? Очень похоже на массу атмосферы Земли.
Названная Вами величина - это вся масса атмосферы или только азот?
А сколько кислорода нужно?
Достаточно ли давления в 1 бар? Что даст повышение давления до 3 атм? Станет теплее?
Не приведёт ли повышение давления кислородно-азотной атмосферы к повышению пожароопасности?

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

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

Так то - за 4 млрд.лет!
Мы (пока) можем говорить о горизонте планирования на 6...7 порядков меньше: сотни лет, максимум - тысячи лет. А это означает - считанные метры вглубь.

Вот жила гипса (сульфат кальция) на Марсе:

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?

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

И переработать им придётся все сульфиды на этой глубине, иначе не хватит материала для выработки кислорода.

Я, собственно, не против сульфат-редукторов, надо использовать все возможности.
Но их следует рассматривать только как вспомогательный инструмент.
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.

[shuricos]

Интересно провести мысленный эксперимент.

Берём прозрачную герметичную бочку с двойными стенками, между которыми - вакуум.
Наливаем в бочку воду.
Воду делаем подсоленной, чтобы хуже замерзала.
Устанавливаем бочку в какой-нибудь низменности вблизи экватора Марса (например, в долине Маринер).
Под бочкой и вокруг неё ставим несколько зеркал так, чтобы они фокусировали на бочке солнечный свет. На Марсе поток солнечного света в 2 раза слабее, чем на Земле, соответственно, если зеркала будут вдвое больше бочки, то они на ней сфокусируют как раз столько света, сколько она получала бы на Земле.
Сложатся ли в такой бочке условия для существования жизни?

А что, если бочка будет совсем простой? Просто бочка чёрного цвета с системой зеркал, фокусирующих на неё свет. Будет ли возможна жизнь в такой бочке?

Вообще долина Маринер выглядит как наилучшее место для возможного размещения колонии в будущем: по стенам каньона можно будет разместить неподвижные зеркала, которые будут отражать свет внутрь каньона - в его обитаемую часть. Конечно, в разное время дня и в разные сезоны каждое зеркало будет отражать свет в различные точки, но в любом случае отражаться свет будет в вытянутую вдоль экватора среднюю часть каньона. Т.е. в целом средняя часть каньона будет получать больше тепла.

[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.

[stuuvi]

В чистом кислороде же при давление свыше 1 атм горит вообще всё от влажной биомассы до стальных конструкций.

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

[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.

[stuuvi]

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.

Вот я про это и подумал, что может она в таком случае сама себя уничтожит. Надо здесь что то сделать, чтобы это дело регулировалось. Просто азот туда таскать само собой не вариант - из числа невероятных и несбыточных проектов.

[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).

[stuuvi]

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).

Понятно, спасибо. Правда не уверен, что на это кто то пойдёт - имею ввиду на попытку терраформирования Марса таким образом. А жаль.

[shuricos]

на Марс надо просто закинуть что-то азотосодержащее

Аммиак будет там балансировать между жидким, твёрдым и газообразным состоянием, как вода на Земле.
Появятся шапки аммиачного льда на полюсах. При средней температуре Марса -50С, аммиак будет находиться преимущественно в жидком состоянии. В экваториальных районах, где температура будет подниматься до -30С, аммиак будет испаряться и переноситься в более высокие широты, появятся облака.

Аммиак - парниковый газ. Если температура на поверхности повысится, аммиак начнёт активно испаряться, образуется ещё больше облаков. И не понятно, что возобладает - усиливающийся парниковый эффект или эффект затенения. Если эффект затенения, то Марс остынет, излишек аммиака из атмосферы выпадет в океаны и ляжет полярными льдами, т.е. Марс сам себя вернёт в равновесное состояние. Если же возобладает парниковый эффект, то не исключаю, что некоторые области могут стать достаточно тёплыми для жидкой воды.

Проблема в том, что аммиак очень хорошо растворяется в воде и жидкая вода быстро впитает в себя весь аммиак из атмосферы.
Другая проблема в том, что аммиачная атмосфера ядовита, земная жизнь в ней невозможна.
Поэтому аммиак просто так оставлять на Марсе нельзя - его надо разлагать на азот и водород.
Ждать, пока это сделает фотолиз - долго. Но хуже то, что разложение аммиака фотолизом - бестолковая для нас затея: отделяемый водород будет просто уноситься в космос.

Значительно более разумно, на мой взгляд, всё-таки нагреванием оксидов железа вызывать выделение кислорода, а потом сжигать аммиак в этом кислороде. В результате будет образовываться азот для атмосферы и вода для океанов. Т.е. нам всё равно придётся заниматься термическим разложением оксидов железа.

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

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.

[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 

[AlexAV]

Не более нескольких столетий.

Порог фотолиза аммиака 4 эВ. Поток фотонов с энергией >4 эВ на орбите Марса приблизительно 3 10¹⁹ фотонов/м2 с. Следовательно скорость фотолиза можно оценить как 10 тыс. т./с. Или 326 млрд. т/год. Для образования азотной атмосферы в 1 бар потребуется 15 тыс. лет. Да... Не так уж и мало. Хотя по геологическим меркам срок всё равно ничтожный. 

[shuricos]

Для образования азотной атмосферы в 1 бар потребуется 15 тыс. лет. Да... Не так уж и мало.

Маленькие дети не способны планировать на неделю вперёд, для них это очень большой срок. А уж на год вперёд - так тем более!

Мы сейчас - маленькие дети, у нас почти младенческая цивилизация. Планирование даже на сотню лет вперёд - скорее исключение, чем правило. Это даже не планирование, а ориентиры, по которым составляются менее долгосрочные планы. Что уж говорить о планировании на десятки тысяч лет? Причём, не просто о планировании, а о несении колоссальных расходов на такие цели!

15000 лет - это только вопрос разложения аммиака. Сначала этот аммиак надо как-то доставить на Марс.
Если мы говорим о телах диаметром в сотни километров то, как я и сказал, это практически целая планета, хотя и карликовая. Перемещение (изменение орбиты) таких огромных тел - дело исключительно сложное.

Вот взять ту же Седну.
Она пройдёт перигелий в 2070-х, а потом на 12000 лет уйдёт на очередной круг, удаляясь от Солнца на колоссальное расстояние в 1000 а.е. Да и перигелий у неё далеко - 76 а.е.
Мы до сих пор толком не знаем - что там внутри Седны. Подойдёт ли её состав для терраформирования Марса? Узнать это мы сможем только тогда, когда Седна приблизится к Солнцу - в 2070-х. А лететь к Седне придётся несколько десятков лет ("Новые Горизонты" летели к Плутону (всего каких-то 30 а.е.) почти 10 лет. Т.е. отправлять аппарат придётся в 2040-х. После того, как АМС встретится с Седной (если он вообще долетит до неё) и изучит её, мы уже ничего не сможем предпринять для изменения её орбиты, так как она начнёт удаляться и догнать её будет крайне непросто. Тем более, что вдогонку придётся посылать довольно крупный объект, иначе изменить орбиту Седны не удастся.

В лучшем случае, нам удастся вывести Седну на нужную нам орбиту во время её следующего приближения - в 142-ом веке.

Но и бабахнуть Седну об Марс мы тоже не можем себе позволить - это, во-первых, может вызвать катастрофическое изменение орбиты Марса; в во-вторых, доставит на Марс, помимо азота, ещё и кучу того, чего на Марсе нам не нужно, в т.ч. воду и метан. Т.е. Седну придётся "разбирать": воду отправлять на Венеру, а азот - на Марс. Это потребует колоссального расхода ресурсов.

А что мы получим взамен?
"Второй Земли" не получится. Марс будет сухим и холодным. Заполярье будет занимать всю зону выше 65 параллели. Марсианское приполярье будет ничем не более пригодно для проживания, чем Новая Земля. Даже экваториальные области будут хуже, чем сейчас Чукотка. О таких условиях, как на Курилах, можно будет только мечтать. Да, какая-то бедная биосфера может существовать в таких условиях. Возможно, в наиболее благоприятных регионах даже появится мамонтовая тундростепь, хотя откуда ей взяться без магафауны, и откуда взяться мегафауне без тундростепи? Но тундростепь - это ли нам нужно?

Конечно, люди будут строить теплицы.
Люди и сейчас строят теплицы даже на Земле, даже в таких относительно благоприятных регионах, как Испания, Турция, Китай. Теплицы занимают сотни тысяч гектаров и продолжают расти. Нет никаких сомнений, что на Земле в борьбе за высокие урожаи теплицы будут распространяться всё больше и, не исключаю, что через несколько сот лет они будут покрывать почти всю поверхность суши и большую часть мелководий. Это такой небольшой экскурс в тему "Пределы терраформирования Земли".

А если люди так будут поступать (и уже сейчас поступают) на Земле, то почему бы им (нам - людям) отказываться от этого инструмента на Марсе, климат которого, несмотря на все усилия по терраформированию, будет значительно более суровым, чем на Земле?

Кроме того, азот азотом, а кислород тоже нужен.
Естественным путём формирование кислородной атмосферы займёт сотни тысяч лет.
Остаётся только одно - добывать кислород и железо из оксидов железа (тонна Fe3O4 даёт 724 кг железа и 276 кг кислорода). Железо - на строительство, кислород - в атмосферу (для наполнения теплицы столько кислорода не требуется).

Постепенно сформируется кислородная атмосфера в 200...250 мбар (Вы говорили, что при таком давлении кислород безопасен), потом (или одновременно), постепенно будем наполнять её азотом до 1000 мбар. Как раз получится нормальное соотношение кислорода и азота.

Вместо того, чтобы бабахнуть об Марс карликовую ледяную планету через 12 000 лет, а потом ещё 15000 лет ждать, пока аммиак разложится, мы будем постепенно забрасывать Марс относительно небольшими аммиачными астероидами; аммиак из первых заброшенных таких астероидов успеет разложиться раньше, чем через 27000 лет.
27000 лет - это почти 10 млн.дней. Если на Марс сбрасывать по одному аммиачному астероиду каждый день, то диаметр каждого из них должен будет составлять примерно километр. Управление такими телами значительно проще, чем целой карликовой планетой. Это вполне доступно даже на уровне нынешних технологий.