Как изменить атмосферу марса

Интервью Бориса Штерна с Олегом Кораблёвым
«Троицкий вариант» №14(358), 26 июля 2022 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Беседа с членом-корреспондентом РАН, заведующим отделом физики планет Института космических исследований РАН Олегом Кораблёвым. Вопросы задавал Борис Штерн. Видеоверсию интервью можно посмотреть на YouTube.

— Сегодня у нас в гостях Олег Игоревич Кораблёв, член-корреспондент. Российской академии наук, заведующий отделом физики планет ИКИ РАН. Говорить мы будем про Марс. К этой теме мы уже плавно подошли в предыдущих передачах. В беседе с Михаилом Никитиным мы рассуждали о происхождении жизни, говорили о том, может ли эта жизнь перепрыгнуть с Земли на другие планеты. Тогда мы пришли к выводу, что ближайшее к Земле место, где жизнь может как-то осесть, — Марс. Довольно суровая планета. Сегодня хотелось бы поговорить о том, есть ли у нас возможности сделать Марс более пригодной для жизни планетой, сделать ее теплее, влажнее. Фактически это сводится к тому, есть ли на Марсе запас летучих веществ для того, чтобы нарастить атмосферу, поспособствовать появлению воды в жидком виде. Первый вопрос к Олегу Игоревичу: какие есть запасы углекислого газа и воды на Марсе?

— Оценки объемов этих веществ есть, но не все они одинаково точны. Сначала уточним термины: если говорить о воде на планетах, то она измеряется в единицах глубины глобального сферического слоя. Если вместо планеты мы возьмем шар такого же диаметра и разольем ровным слоем по нему воду, то это и будет искомая глубина. На Земле глубина такого слоя — около 2 км. Глубина мирового океана, само собой, больше, так как он не занимает всю площадь планеты. Средняя его глубина составляет около 3 км. Если мы говорим об углекислом газе на планетах, то принято измерять его в единицах давления, в барах. Сейчас атмосфера Марса в среднем составляет 6 мбар. Для того, чтобы сделать Марс пригодным для жизни, нужно получить 1 бар или чуть больше, как на Земле.

Объем воды же — величина скорее производная. Высвобождение запасов воды не приведет напрямую к эффекту нагревания планеты и к ее экранированию от солнечной радиации, так как вода — конденсируемая составляющая. Наличие жидкой и твердой воды на Марсе еще не гарантирует увеличение атмосферы и парниковый эффект. Когда температура, как на Земле, разрастается, то вода интенсивно испаряется, переходит в атмосферу и эффективно работает как парниковый газ. Поэтому наибольший интерес для изменения климата Марса, терраформирования планеты представляют запасы углекислого газа. Тут, к сожалению, не стоит испытывать большого оптимизма. Как мы уже выяснили, атмосферное давление на Марсе — всего 6 мбар. Следующий самый доступный резервуар углекислого газа — полярные шапки. Все содержащиеся в них и в околополярных территориях запасы CO₂ составляют не более тех же самых шести миллибар — тут содержится еще одна атмосфера Марса. Этого явно недостаточно.

— 6 мбар в полярных шапках — то, что оседает сезонно, или это глубинные запасы?

— Совершенно правильное замечание. На Марсе температура достаточно низкая, так что углекислый газ конденсируется: водяной пар — не единственная конденсируемая составляющая. При определенных условиях полярной зимой на полюсах конденсируется углекислый газ. Учитывая то, что атмосфера чрезвычайно слабая, этот процесс мощный, сопровождающийся выпадением снега, формированием сезонной составляющей шапок. В результате давление падает примерно на треть: 30% атмосферы конденсируется. Вот это и есть сезонная составляющая.

Проекты Mars Express и Mars Reconnaissance Orbiter с радиолокаторами MARCI и SHARAD (работающие на разных длинах волн и проникающие на разные глубины) дали результаты, позволяющие достаточно уверенно говорить о толщине шапок из водяного и углекислого льда. Конечно, радар не видит состава, но мы знаем о нем по другим данным. Эти слоистые полярные отложения, идущие до широты 80°, особенно важны, поскольку занимают достаточно большую площадь. В них, судя по всему, находится основная часть углекислотного льда, этого достаточно легкодоступного ресурса, который, в принципе, может быть мобилизован. Для изменения климата важны не только запасы ресурсов, но и их доступность. Здесь интерес может представлять реголит, в какой-то степени поглощающий CO₂, и приповерхностные известняки, карбонатные отложения. Земля избавилась от своей ювенильной, состоящей из CO₂, атмосферы путем захоронения углекислого газа в карбонатах. У нас еще есть чудесный процесс тектоники плит, который отправляет карбонаты в магму, в недры Земли, откуда углекислота возвращается к нам вулканическими процессами. На Марсе тектоники плит мы пока что не наблюдаем, но залежи карбонатов уже давно разведаны. К сожалению, их не так много, как мечталось, но, с другой стороны, удалось обнаружить карбонаты в атмосферной пыли. Она играет очень важную роль, так как часть поверхности Марса опустынена. Помимо этого марсианская пыль, переносящаяся по всей планете во время глобальных пылевых событий, — усредненный показатель того, какие минералы присутствуют на поверхности. Карбонатов в пыли очень мало, поэтому точность оценки намного хуже, чем оценки резервуаров CO₂ в полярных шапках. Здесь и разброс, и произвол больше, так что можно говорить лишь о каких-то верхних пределах — не больше 150 мбар, но скорее 10–15 мбар.

— Чтобы достать углекислый газ из карбонатов, их надо греть. Реально ли это?

— Этот вопрос давно, с 1990-х годов, волнует исследователей. Предлагались разные теории — их авторы, как правило, сами приходили к выводу о слабой реализуемости своих предложений. Прежде всего перед тем, как греть карбонаты, надо позаботиться о том, как их добывать, как пахать поверхность Марса. Помимо карбонатов, глобальная вспашка поверхности может высвободить углекислый газ, который минералы реголита — основного покрытия Марса — абсорбируют на молекулярном уровне. В принципе, поверхность планеты можно совсем изуродовать, высвободив какую-то часть поглощенного, связанного с минералами газа. Здесь оценки объема CO₂ могут быть больше: до 40 мбар (20 мбар — более реалистичная оценка). Но нужно учесть то, что физико-химические процессы высвобождения и поглощения могут идти в обе стороны. Как это пойдет, если мы будем механически воздействовать на грунт? Вопрос серьезный, более того, это один их тех вопросов, которые встают, когда мы пытаемся воздействовать на сложные системы в одном месте. В таких случаях запускаются сложные цепочки, и непонятно, в какую сторону они выведут.

Потенциальные залежи углекислого газа могут позволить увеличить плотность марсианской атмосферы в три с половиной раза доступными способами (например, испарив полярные шапки, уменьшив их в два раза). Но и такая плотность будет далека от желаемой.

Вероятно, на Марсе есть и глубокие карбонаты, изолированные от поверхности. Здесь можно посмотреть на Нильские борозды (Nili Fossae), область с самыми обширными залежами карбонатов. Опираясь на то, что эта область образовалась еще до гипотетических тектонических сдвигов, можно предположить, что на Марсе довольно большое количество карбонатов находится на глубине, в изоляции от поверхности. Они и могут обеспечить необходимый объем порядка 1 бар. Потенциал есть, но для того, чтобы добыть эти ископаемые, нужно потратить уйму энергии и изуродовать бо́льшую часть планеты. На какой глубине находятся карбонаты и в результате чего они там оказались — вопросы открытые. Всё, на что мы опираемся, — это дистанционные наблюдения с орбиты. Карбонаты могут находиться на небольших, достаточно древних участках поверхности, которые к тому же должны быть свободны от реголита (который имеет усредненный состав и скрывает то, что интересно геологам). Видно только какие-то выходы, какие-то обдуваемые ветром скалы… В ограниченной области в районе Нильских борозд наблюдается довольно приличный процент. Поэтому непонятно, сколько на Марсе карбонатов, где они и как распределены на поверхности планеты. За скобками то, что совершенно неясно, какими усилиями можно было бы высвободить такие залежи.

— Допустим, осуществили программу-минимум: нарастили атмосферу в три раза за счет CO₂. Появится ли при этом на поверхности жидкая вода? Поднимется ли реально температура? Будет ли какой-нибудь толк, хотя бы небольшой?

— Нет, толку не будет. Немножко, конечно же, повысится температура, но трудно предсказать, что произойдет с климатом Марса. Процессы сублимации и конденсации углекислоты, переноса воды из полушария в полушарие всё равно будут происходить, но как-то по-другому. Тут есть еще одна особенность Марса, аспект, который обычно не рассматривается в оценках. Орбита Марса и наклон оси очень нестабильны. Про Землю мы знаем: есть циклы Миланковича. Изменения орбитальных параметров нашей планеты приводят к соответствующим изменениям инсоляции — нагрева поверхности Солнцем. Перемены незначительные, но, тем не менее, именно они считаются главным и единственным инициатором изменений климата на масштабе ледниковых-межледниковых периодов. На Марсе, в силу того, что планета меньше и Юпитер со своим гравитационным влиянием ближе (прямо как у астрологов — «планеты встали не туда»), эти изменения могут иметь куда более значительные последствия.

В начале 1990-х считалось, что орбиту Земли стабилизирует Луна. Позже более точные расчеты с использованием новых интеграторов показали, Луна не так сильно влияет на нашу планету. Марс же, будучи ближе к Юпитеру, «болтается» очень сильно. Эксцентриситет орбиты Красной планеты и без того весьма велик — 10–11%, что в квадрате дает огромную разницу по нагреву в зависимости от сезона, и сезоны весьма несимметричны. Этот эксцентриситет меняется, и вместе с ним меняется наклон орбиты от нескольких градусов до 45°. Сейчас наклон орбиты на Марсе примерно как на Земле, а меняться он может вот в таких пределах.

При этом вся система переходит в другие состояния. Геологи обнаружили следы оледенения в экваториальных областях. Оказывается, там, как и на Земле, при больших наклонах орбиты начинают нарастать ледники — не только на полярных шапках, но и в экваториальных областях, на возвышенностях. От ледников остаются морены, которые однозначно свидетельствуют об оледенении. Если на Марсе взяться что-то греть и пахать, то на такие процессы уйдут десятки, если не сотни тысяч лет. Например, прогрев реголита на сотни метров по законам физики займет колоссальное время. Пока мы будем трудиться, Марс поменяет орбиту и все старания пойдут насмарку. Это важный момент, который в разговорах о колонизации часто забывается. Конфигурация полярных шапок несимметрична — большая северная и маленькая южная; состав льдов тоже разный (водяной лед преобладает на северной шапке). По современным представлениям это, скорее всего, переходное состояние, не поддерживающееся на большом масштабе времени. Такие длинные процессы всегда трудно моделировать: детальная модель требует больших затрат. Гораздо проще интегрировать задачи многих тел. Всё равно ясно, что Марс постоянно находится в переходном состоянии и, тем не менее, в состоянии замерзшем. Может быть, увеличение атмосферы в два-три раза даст какой-то эффект, но потом из-за естественных процессов последует обратный эффект. Такие вещи требуют более детального исследования. Есть подробные палеоклиматические модели, в которых пытаются чем-то пожертвовать, получив возможность гонять модель на длительные сроки — на десятки миллионов лет.

— Вопрос вдогонку: куда делся азот? Наверняка на Марсе он изначально был. Вроде бы N₂ — молекула достаточно тяжелая. Элемент убегает из-за недостаточной гравитации или из-за солнечного ветра?

— Куда делся азот на Марсе, сказать трудно. Сейчас я на это не готов ответить. Мы пытаемся судить о воде по отношению изотопов. По кислороду ситуация более проблемная, по углероду же есть неплохие измерения. Что касается азота, то трудно сказать, сколько его было и куда он ушел. С точки зрения формирования климата эта молекула неинтересна, так как она радиационно неактивна. Азот практически не поглощает в инфракрасной области; он газ неблагородный, но, тем не менее, увидеть его можно лишь с помощью масс-спектрометров, работающих на поверхности планеты. Безусловно, азота на Марсе мало; есть чувство, что он был утрачен в пропорции с углекислым газом, либо еще сильнее.

В эволюции планетных атмосфер есть теория гидродинамического выноса — одна из тех теорий, которые могут объяснить всё (поскольку непонятно ничего). Суть концепции заключается в том, что на раннем этапе Солнце, будучи горячей звездой с интенсивным ультрафиолетовым излучением, вызывало диссоциацию всех газов. Так создавался некий гидродинамический поток, который выносил без разбору всё подряд, не учитывая изотопную массу. Процессы, проистекающие сейчас, как правило, зависят от массы участвующих элементов. Тяжелые элементы улетучиваются гораздо сложнее, чем легкие, идет фракционирование: дейтерий накапливается в больших количествах по сравнению с водородом. Азот тоже пострадал от гидродинамического выноса на ранней стадии.

На Земле, видимо, или ситуация была спокойней, или же оценки того, какие запасы летучих веществ были в начале, не совсем точны. Процессы конденсации летучих веществ на внутренних планетах тоже могли происходить немножко по-другому, чем представляется.

— Да, но есть и простейшая, вульгарная точка зрения: казалось бы, что чем дальше от Солнца, тем больше должно быть летучих…

— Да, чем дальше от Солнца, тем больше льдов, сохранившихся в спутниках и кометах, которые, в свою очередь, могут содержать азот. Тут, наверное, имеет смысл спросить, что происходило с элементами, у специалиста по космогонии. Я затрудняюсь прокомментировать профессионально…

— Хоть и понятно, что без углекислого газа жидкой воды не будет, но все-таки: сколько ее в виде льда? На Земле — слой 2 км, а на Марсе?

— На Марсе есть то, о чем можно говорить определенно, и то, относительно чего можно лишь строить гипотезы. Давайте последовательно. В атмосфере Марса воды очень мало. Как и на Земле, она вымерзает, когда становится холодно. Основные разведанные запасы воды на Марсе находятся в полярных шапках и околополярных областях — примерно там же, где и залежи углекислого газа. Но здесь ситуация немного другая: основной запас марсианской воды приходится на северную полярную область. Северная полярная шапка напрашивается на аналогию с антарктическим ледяным щитом: ее толщина доходит до 3,5 км. Очень хороший, мощный ледник; опять же, радары позволяют прекрасно видеть, где кончается лед и начинается грунт. Измерения весьма точны — в марсианской северной полярной шапке содержится около 20 м воды (глобального сферического слоя). Суммарно количество воды по ледникам примерно такое же, включая незначительную прибавку воды, разведанной приборами (Mars Odyssey, TGO ExoMars) методом нейтронного каротажа, поверхностной гидратации грунта. Глубина, на которую видят такие приборы, составляет 1–2 м. Небольшое содержание водорода пересчитывается на воду в предположении, что в приповерхностном слое нефти или других водородосодержащих соединений на Марсе нет. Тут вода уже добавляет несколько метров в объеме: в легкомобилизующихся соединениях водород может быть в форме льда, а может быть и в форме гидротированных минералов. Как и в случае с адсорбированным углекислым газом, такие прицепившиеся молекулы воды получить обратно трудно.

Кстати, здесь есть интересная гипотеза. У поверхности Марса могут стабильно существовать клатраты, соединения воды и углекислого газа: молекула CO₂ окружена молекулами H₂O. Есть ли они там на самом деле или нет — задача для будущих исследователей. Но даже если Марс забит этими клатратами, даже если их удастся обнаружить вместо водяного льда, то большого объема углекислого газа в этих экзотических соединениях не найти. По отношению к нашим двум-трем атмосферам этот CO₂ не сыграет большой роли.

В общей сложности 30 м разведанной воды — запас ощутимый, этот объем можно разлить по всей поверхности Марса.

— Может, я ошибаюсь, но, по-моему, некоторые формы марсианского рельефа интерпретируются как присыпанный ледник. Так ли это?

— Не возьмусь сказать нет: тут лучше расспросить специалиста по геоморфологии. Я не читаю подряд всю литературу на эту тему, но ничего сенсационного мне не попадалось. Но формы, оставшиеся от ледников, совершенно точно есть. Среди новостей по этому поводу стоит упомянуть новую статью группы Игоря Митрофанова, указывающую на очень высокое содержание льда в экваториальной области в долинах Маринер [3]. Если это еще как-то независимо подтвердится, то, действительно, может обнаружиться присыпанный ледник. Пока что же это лишь косвенное измерение.

Вероятно, на Марсе есть больше воды, чем предполагается, поскольку гидратированные минералы и какие-то скрытые ледяные отложения, которые не очень четко можно зафиксировать радарами, могут быть глубже. Нейтронные данные идут только по самой поверхности; радары в случае, если нет четкой границы льда и грунта, не дают стопроцентной уверенности, так что 30 м — оценка явно нижняя. Другие оценки могут давать и 500 м, и даже целый километр общего содержания воды, но это скорее резервуары глубинные, не связанные непосредственно с поверхностью. Такие оценки, в принципе, совпадают с оценками геологическими, утверждающими, что на Марсе когда-то были формы рельефа, размывы, русла рек, долины. Это коррелирует с полукилометровыми оценками толщи марсианской воды в то время.

— Возможны ли колонии на Марсе, по вашим собственным ощущениям? Возможна ли постоянная жизнь на планете, пускай и в закрытых помещениях?

— Безусловно. Колония в том же понимании, как на Антарктиде, возможна: постоянные научно-исследовательские поселения на Марсе — это реальность. Как они будут выглядеть, сказать трудно, ведь надо как-то защищаться от радиации, от плохих погодных условий, но это выглядит вполне реальным и представляется достойной целью для человечества, продвижением за границы нашей Земли-матушки. Переселения или какие-то расселения на Марсе же пока что, по-моему, остаются далеко за пределами разумного понимания.

— Нет, конечно же, речь об обычной жизни не идет. Но считаю, что было бы здорово, если бы на Марсе существовала в значительной степени самостоятельная колония: от Земли, пускай, будет в чем-то зависеть, но такая зависимость должна быть минимальной.

— Это мне кажется совершенно разумным. Надеюсь, на Марсе можно будет обеспечить снабжение водой — важнейшим ресурсом, из которого при наличии энергии можно получать воздух для дыхания. После чего развивать небольшую замкнутую экосистему, поскольку грунт на Марсе есть, и он достаточно плодороден — всё, как в романе и фильме «Марсианин». Единственное, мне кажется, надувные жилища, как в фильме, вряд ли спасут будущих исследователей от напастей: придется сооружать нечто более фундаментальное. Усилия, которые делаются в отношении Луны, могут послужить хорошим предварительным шагом: если удастся построить что-то более-менее посещаемое на Луне, то и в отношении Марса схожие проблемы разрешатся достаточно просто.

— Резюмируем: терраформировать Марс возможно теоретически, но на практике это выливается в безумные сроки, а вот жить — можно.

— Жить можно… Есть термин ecopoiesis — создание экосистемы на безжизненной планете, переходный этап между исследованием и терраформированием. Вот к этому этапу и следует стремиться. А в разумные сроки изменить Марс, как и любую другую планету Солнечной системы, реальным не представляется.

— На этом, наверное, и закончим нашу беседу. Большое спасибо! До свидания, а тем, кто нас слушает, — спасибо за внимание!

— И вам большое спасибо! Рад был побеседовать. До свидания.

1. Jakosky B., Edwards S. Inventory of CO2 available for terraforming Mars. Nature Astronomy, 2018.

2. Hu R.,Thomas T. A nitrogen-rich atmosphere on ancient Mars consistent with isotopic evolution models. Nature Geoscience, 2022.

3. Mitrofanov at al. The evidence for unusually high hydrogen abundances in the central part of Valles Marineris on Mars. Icarus, 2021.

4. Head at al. Tropical to mid-latitude snow and ice accumulation, flow and glaciation on Mars. Nature, 2005.

5. Montmessin F. The Orbital Forcing of Climate Changes on Mars. Space Science Reviews, 2006.

Земля — единственная планета в Солнечной системе, на которой мы, люди, можем жить. По крайней мере не соблюдая каких-либо особых мер предосторожности. Все остальные небесные тела слишком холодные или слишком горячие. И, что самое главное, – у них нет атмосферы, которой можно было бы дышать…

Но от чего это зависит на самом деле? И может ли мы изменить такое положение дел, если захотим?

Итак, вопрос, который мы обсудим сегодня, звучит так: что определяет, может ли небесное тело удерживать атмосферу? И может ли атмосфера Марса получить новую жизнь? Давайте разберемся.

Физика атмосфер

Физика планетных атмосфер – не совсем тривиальная штука. Ученые не до конца понимают даже то, как работает атмосфера Земли. Ведь прогнозы погоды до сих пор вещь довольно неопределенная. А уж понимание атмосфер других небесных тел, находящихся на большом расстоянии от нас, еще сложнее. Эта тема представляет собой отдельную область исследований. Целую науку, если хотите, над которой ученые работают десятилетиями. В этой короткой статье невозможно обобщить всю сложность подобных исследований. Но можно привести несколько основных факторов.

Масса небесного тела, естественно, играет значительную роль, когда речь идет о поддержании атмосферы. Ведь она состоит из различных молекул газа. Каждая из которых движется более или менее быстро.  И чем больше масса небесного тела, тем больше и лучше оно может удерживать эти молекулы газа своей гравитационной силой. Но чем легче молекулы, тем быстрее они могут двигаться. И тем труднее их удерживать. Именно по этой причине в земной атмосфере почти нет ни водорода, ни гелия. Эти легкие газы улетучились в космос в самом начале истории Земли.

Однако другие планеты оказались в этом отношении более успешными. Юпитер и Сатурн, например, росли достаточно быстро на этапе формирования Солнечной системы, чтобы иметь возможность улавливать летучие газы, молекулы которых имеют небольшие массы. Поэтому с течением времени они смогли приобрести огромные оболочки, состоящие из водорода и гелия. И сегодня эти планеты, про сути, полностью состоят из атмосферы. С другой стороны есть небольшие небесные тела, такие как наша Луна. Которые вообще не смогли удержать сколько-нибудь заметного количества газов. И теперь представляют собой пустынные камни, полностью лишенные атмосферы.

Холодные спутники

Но помимо массы в этих процессах играет роль и температура. Чем она выше, тем быстрее движутся молекулы. И тем труднее удерживать атмосферу. Вероятно, это также является одной из причин того, что маленький (по сравнению с Землей) спутник Сатурна Титан имеет гораздо более плотную атмосферу, чем наша планета. Интересный факт – масса атмосферы Титана больше массы атмосферы Земли! Но почему? Просто на Титане очень холодно. Поскольку он находится очень далеко от Солнца. И молекулы газа в его атмосфере двигаются очень медленно. В этих краях так холодно, что такие газы, как аммиак (соединение азота и водорода), присутствуют на поверхности Титана в виде льда. Аммиак выделяется из этого льда и расщепляется на азот и водород солнечным ультрафиолетовым излучением. Водород уходит в космос, а азот удерживается, и является основным компонентом атмосферы Титана.

Ученые предполагают, что удары астероидов и комет в первые дни Солнечной системы могли высвободить первый азот изо льда. Это также объясняет, почему подобные небесные тела, такие как спутники Юпитера Ганимед или Каллисто, почти не имеют атмосферы. Из-за большей массы Юпитера ударяющиеся малые тела там разгонялись сильнее. И при ударе с большой скоростью выделялось очень много энергии. Поэтому молекулы газа просто исчезали в космосе.

Однако сама по себе масса — не единственный фактор, определяющий, может ли небесное тело иметь атмосферу или нет. Потому что нужно не только уметь удерживать молекулы газа. Но и уметь защищать их от разрушительных внешних воздействий. Например, солнечный ветер может нанести серьезный ущерб атмосфере. В этом случае постоянный поток заряженных частиц, который наше Солнце посылает в космос, действует как пескоструйный аппарат, который может медленно разрушать атмосферу. Высокоэнергетическое излучение попадает на молекулы газа, расщепляет их на атомарные составляющие, которые затем гораздо легче могут улетучиваться в космос. К счастью, наша Земля обладает сильным магнитным полем. Которое, в общем-то, и защищает нашу атмосферу от солнечного ветра. А вот с Марсом дела обстоят не так хорошо.

Атмосфера Марса

Марс меньше по размерам и менее массивен, чем планета Земля. Следовательно, он имеет меньшую гравитационную силу, чтобы удерживать атмосферу. Марс остывал гораздо быстрее, чем наша планета. Поэтому его ядро быстро ​​затвердело. А без движения жидкометаллического ядра не может возникнуть никакое магнитное поле. Атмосфера Марса, которая, по всей видимости, в прошлом была гораздо более плотной и пригодной для жизни, постоянно подвергалась воздействию солнечного ветра после того, как Марс остыл. И почти исчезла в течение миллионов лет. Сегодня от нее почти ничего не осталось. И Марс превратился в холодную и негостеприимную ледяную пустыню.

Однако несмотря на это, Марс по-прежнему остается планетой, на которой условия наиболее близки к земным. Время от времени здесь бывает достаточно комфортная температура выше нуля. Но обычно она примерно такая же, как в Антарктиде. Только без атмосферы…

Терраформирование Марса – популярная тема в научной фантастике. Многие энтузиасты просто горят идеей снова сделать Марс планетой с благоприятными для жизни условиями. И создать на планете плотную и пригодную для дыхания атмосферу. Это увеличит ее температуру. И вода снова может существовать в жидкой форме на поверхности Красной планеты. Водяной пар сможет накапливаться в атмосфере, создавая парниковый эффект. Который еще больше повысит температуру. И так далее.

Но возможно ли это в реальности? Что же, в жизни многое возможно. Но не все это обязательно реалистично. Чисто теоретически есть несколько способов изменить атмосферу Марса. Сухой лед (углекислый газ) можно заставить сублимировать на полюсах и улетучиваться в атмосферу. Можно было бы бомбардировать планету астероидами из космоса. И тем самым не только растопить лед, но и разогреть Марс. Можно было бы экспериментировать с микроорганизмами, способными справиться с экстремальными условиями на Марсе. И способными изменить атмосферу своим метаболизмом. Можно разместить на орбите большие зеркала и таким образом нагреть поверхность. И т.д. и т.п. Но помимо того что такие крупные технические проекты, вероятно, не осуществимы даже на Земле, не говоря уже о другой планете, нет никаких серьезных причин, по которым мы не могли бы изменить атмосферу Марса.

А как удержать-то?

Возможно на то, чтобы атмосфера Марса восстановилась, уйдет несколько столетий. Технически это вполне возможно. Но главный вопрос состоит вовсе не в этом. Он звучит так: а останется ли атмосфера Марса на месте? А как же солнечный ветер? Да, это большой вопрос. Ведь как говорилось в начале статьи, – атмосфера штука весьма непредсказуемая.

Атмосфера Марса, вероятно, не исчезла бы прямо сразу. Поскольку солнечно-ветровая эрозия — процесс небыстрый. Но если задаться целью осуществить многовековой проект терраформирования, то нам однозначно понадобится постоянный источник магнитного поля для планеты Марс. А как это должно работать технически – сегодня не знает ни кто. С доступными нам сегодня технологиями можно было бы создать локальные магнитные поля, всего несколько десятков метров в поперечнике, которые были бы достаточно сильными. Но тогда смысла в глобальном терраформировании не будет никакого. И можно будет осваивать только подходящие для обитания места.

Когда дело доходит до колонизации Марса, атмосфера, на самом деле, — это не первое, о чем стоит беспокоиться. Поскольку потребуется много времени, чтобы настроить ее более или менее нужным образом. А пока все эти процессы будут идти, все марсианские колонисты уже будут убиты космическими лучами. Потому что без магнитного поля они беспрепятственно попадают на поверхность Красной планеты. Данные, полученные с орбитальных зондов и марсоходов говорят о том, что радиационное воздействие на поверхности Марса намного выше, чем самые верхние пределы допустимых доз для человека. Большинство марсианских колонистов очень быстро умрут от вреда, нанесенного этим излучением. Задолго до того, как начнут задумывать о терраформировании. Или о чем-то подобном.

Да, атмосфера Марса может быть изменена, если бы мы этого захотели. Однако есть огромные сомнения, что это навсегда сделает Марс такой же пригодной для жизни планетой, как наша Земля. На данный момент у нас нет альтернативы в том, что касается среды обитания в Солнечной системе. У нас есть только Земля. И поэтому мы должны заботиться о ней.

The terraforming of Mars or the terraformation of Mars is a hypothetical procedure that would consist of a planetary engineering project or concurrent projects, with the goal to transform Mars from a planet hostile to terrestrial life to one that can sustainably host humans and other lifeforms free of protection or mediation. The process would presumably involve the rehabilitation of the planet’s extant climate, atmosphere, and surface through a variety of resource-intensive initiatives, and the installation of a novel ecological system or systems.

Justifications for choosing Mars over other potential terraforming targets include the presence of water and a geological history that suggests it once harbored a dense atmosphere similar to Earth’s. Hazards and difficulties include low gravity, low light levels relative to Earth’s, and the lack of a magnetic field.

Disagreement exists about whether current technology could render the planet habitable. Reasons for objecting to terraforming include ethical concerns about terraforming and the considerable cost that such an undertaking would involve. Reasons for terraforming the planet include allaying concerns about resource use and depletion on Earth and arguments that the altering and subsequent or concurrent settlement of other planets decreases the odds of humanity’s extinction.

Motivation and side effects[edit]

Future population growth, demand for resources, and an alternate solution to the Doomsday argument may require human colonization of bodies other than Earth, such as Mars, the Moon, and other objects. Space colonization would facilitate harvesting the Solar System’s energy and material resources.^[2]

In many aspects, Mars is the most Earth-like of all the other planets in the Solar System. It is thought^[3] that Mars had a more Earth-like environment early in its geological history, with a thicker atmosphere and abundant water that was lost over the course of hundreds of millions of years through atmospheric escape. Given the foundations of similarity and proximity, Mars would make one of the most plausible terraforming targets in the Solar System.

Side effects of terraforming include the potential displacement or destruction of any indigenous life if such life exists.^[4][5][6][7]

Challenges and limitations[edit]

The Martian environment presents several terraforming challenges to overcome and the extent of terraforming may be limited by certain key environmental factors. Here is a list of some of the ways in which Mars differs from Earth, which terraforming seeks to address:

• Reduced light levels (about 60% of Earth) ^[8]
• Low surface gravity (38% of Earth’s)
• Unbreatheable atmosphere^[9]
• Atmospheric pressure (about 1% of Earth’s; well below the Armstrong limit)
• Ionizing solar and cosmic radiation at the surface ^[10]
• Average temperature −63 °C (210 K; −81 °F) compared to Earth average of 14 °C (287 K; 57 °F))^[11]
• Molecular instability — bonds between atoms break down in critical molecules such as organic compounds
• Global dust storms
• No natural food source
• Toxic soil^[12][13]
• No global magnetic field to shield against the solar wind

Countering the effects of space weather[edit]

Mars doesn’t have an intrinsic global magnetic field, but the solar wind directly interacts with the atmosphere of Mars, leading to the formation of a magnetosphere from magnetic field tubes.^[14] This poses challenges for mitigating solar radiation and retaining an atmosphere.

The lack of a magnetic field, its relatively small mass, and its atmospheric photochemistry, all would have contributed to the evaporation and loss of its surface liquid water over time.^[15] Solar wind–induced ejection of Martian atmospheric atoms has been detected by Mars-orbiting probes, indicating that the solar wind has stripped the Martian atmosphere over time. For comparison, while Venus has a dense atmosphere, it has only traces of water vapor (20 ppm) as it lacks a large, dipole-induced, magnetic field.^[14][16][15]
Earth’s ozone layer provides additional protection. Ultraviolet light is blocked before it can dissociate water into hydrogen and oxygen.^[17]

Low gravity and pressure[edit]

The surface gravity on Mars is 38% of that on Earth. It is not known if this is enough to prevent the health problems associated with weightlessness.^[18]

Mars’s CO
₂ atmosphere has about 1% the pressure of the Earth’s at sea level. It is estimated that there is sufficient CO
₂ ice in the regolith and the south polar cap to form a 30 to 60 kilopascals [kPa] (4.4 to 8.7 psi) atmosphere if it is released by planetary warming.^[19] The reappearance of liquid water on the Martian surface would add to the warming effects and atmospheric density,^[19] but the lower gravity of Mars requires 2.6 times Earth’s column airmass to obtain the optimum 100 kPa (15 psi) pressure at the surface.^[20] Additional volatiles to increase the atmosphere’s density must be supplied from an external source, such as redirecting several massive asteroids (40-400 billion tonnes total) containing ammonia (NH
₃) as a source of nitrogen.^[19]

Breathing on Mars[edit]

Current conditions in the Martian atmosphere, at less than 1 kPa (0.15 psi) of atmospheric pressure, are significantly below the Armstrong limit of 6 kPa (0.87 psi) where very low pressure causes exposed bodily liquids such as saliva, tears, and the liquids wetting the alveoli within the lungs to boil away. Without a pressure suit, no amount of breathable oxygen delivered by any means will sustain oxygen-breathing life for more than a few minutes.^[21][22] In the NASA technical report Rapid (Explosive) Decompression Emergencies in Pressure-Suited Subjects, after exposure to pressure below the Armstrong limit, a survivor reported that his «last conscious memory was of the water on his tongue beginning to boil».^[22] In these conditions humans die within minutes unless a pressure suit provides life support.

If Mars’ atmospheric pressure could rise above 19 kPa (2.8 psi), then a pressure suit would not be required. Visitors would only need to wear a mask that supplied 100% oxygen under positive pressure. A further increase to 24 kPa (3.5 psi) of atmospheric pressure would allow a simple mask supplying pure oxygen.^{[23][clarification needed]} This might look similar to mountain climbers who venture into pressures below 37 kPa (5.4 psi), also called the death zone, where an insufficient amount of bottled oxygen has often resulted in hypoxia with fatalities.^[24] However, if the increase in atmospheric pressure was achieved by increasing CO₂ (or other toxic gas) the mask would have to ensure the external atmosphere did not enter the breathing apparatus. CO₂ concentrations as low as 1% cause drowsiness in humans. Concentrations of 7% to 10% may cause suffocation, even in the presence of sufficient oxygen. (See Carbon dioxide toxicity.)

In 2021, the NASA Mars rover Perseverance was able to make oxygen on Mars. However, the process is complex and takes a lot of time to produce a small amount of oxygen.^[25]

Advantages[edit]

According to scientists, Mars exists on the outer edge of the habitable zone, a region of the Solar System where liquid water on the surface may be supported if concentrated greenhouse gases could increase the atmospheric pressure.^[19] The lack of both a magnetic field and geologic activity on Mars may be a result of its relatively small size, which allowed the interior to cool more quickly than Earth’s, although the details of such a process are still not well understood.^[26][27]

There are strong indications that Mars once had an atmosphere as thick as Earth’s during an earlier stage in its development, and that its pressure supported abundant liquid water at the surface.^[28] Although water appears to have once been present on the Martian surface, ground ice currently exists from mid-latitudes to the poles.^[29][30] The soil and atmosphere of Mars contain many of the main elements crucial to life, including sulfur, nitrogen, hydrogen, oxygen, phosphorus and carbon.^[31]

Any climate change induced in the near term is likely to be driven by greenhouse warming produced by an increase in atmospheric carbon dioxide (CO
₂) and a consequent increase in atmospheric water vapor. These two gases are the only likely sources of greenhouse warming that are available in large quantities in Mars’ environment.^[32] Large amounts of water ice exist below the Martian surface, as well as on the surface at the poles, where it is mixed with dry ice, frozen CO₂. Significant amounts of water are located at the south pole of Mars, which, if melted, would correspond to a planetwide ocean 5–11 meters deep.^[33][34] Frozen carbon dioxide (CO₂) at the poles sublimes into the atmosphere during the Martian summers, and small amounts of water residue are left behind, which fast winds sweep off the poles at speeds approaching 400 km/h (250 mph).^{[citation needed][original research?]} This seasonal occurrence transports large amounts of dust and water ice into the atmosphere, forming Earth-like ice clouds.^[35]

Most of the oxygen in the Martian atmosphere is present as carbon dioxide (CO₂), the main atmospheric component. Molecular oxygen (O₂) only exists in trace amounts. Large amounts of oxygen can be also found in metal oxides on the Martian surface, and in the soil, in the form of per-nitrates.^[36] An analysis of soil samples taken by the Phoenix lander indicated the presence of perchlorate, which has been used to liberate oxygen in chemical oxygen generators.^[37] Electrolysis could be employed to separate water on Mars into oxygen and hydrogen if sufficient liquid water and electricity were available. However, if vented into the atmosphere it would escape into space.

Proposed methods and strategies[edit]

Terraforming Mars would entail three major interlaced changes: building up the magnetosphere, building up the atmosphere, and raising the temperature. The atmosphere of Mars is relatively thin and has a very low surface pressure. Because its atmosphere consists mainly of CO₂, a known greenhouse gas, once Mars begins to heat, the CO₂ may help to keep thermal energy near the surface. Moreover, as it heats, more CO₂ should enter the atmosphere from the frozen reserves on the poles, enhancing the greenhouse effect. This means that the two processes of building the atmosphere and heating it would augment each other, favoring terraforming. However, it would be difficult to keep the atmosphere together because of the lack of a protective global magnetic field against erosion by the solar wind.^{[38][39][40][41]}

Importing ammonia[edit]

One method of augmenting the Martian atmosphere is to introduce ammonia (NH₃). Large amounts of ammonia are likely to exist in frozen form on minor planets orbiting in the outer Solar System. It might be possible to redirect the orbits of these or smaller ammonia-rich objects so that they collide with Mars, thereby transferring the ammonia into the Martian atmosphere.^[42][19] Ammonia is not stable in the Martian atmosphere, however. It breaks down into (diatomic) nitrogen and hydrogen after a few hours.^[43] Thus, though ammonia is a powerful greenhouse gas, it is unlikely to generate much planetary warming. Presumably, the nitrogen gas would eventually be depleted by the same processes that stripped Mars of much of its original atmosphere, but these processes are thought to have required hundreds of millions of years. Being much lighter, the hydrogen would be removed much more quickly. Carbon dioxide is 2.5 times the density of ammonia, and nitrogen gas, which Mars barely holds on to, is more than 1.5 times the density, so any imported ammonia that did not break down would also be lost quickly into space.

Importing hydrocarbons[edit]

Another way to create a Martian atmosphere would be to import methane (CH₄) or other hydrocarbons,^[44][45] which are common in Titan’s atmosphere and on its surface; the methane could be vented into the atmosphere where it would act to compound the greenhouse effect.^[46] However, like ammonia (NH₃), methane (CH₄) is a relatively light gas. It is in fact even less dense than ammonia and so would similarly be lost into space if it was introduced, and at a faster rate than ammonia. Even if a method could be found to prevent it escaping into space, methane can exist in the Martian atmosphere for only a limited period before it is destroyed. Estimates of its lifetime range from 0.6–4 years.^[47][48]

Use of fluorine compounds[edit]

Especially powerful greenhouse gases, such as sulfur hexafluoride, chlorofluorocarbons (CFCs), or perfluorocarbons (PFCs), have been suggested both as a means of initially warming Mars and of maintaining long-term climate stability.^{[19][20][49][32]} These gases are proposed for introduction because they generate a greenhouse effect thousands of times stronger than that of CO₂. Fluorine-based compounds such as sulphur hexafluoride and perfluorocarbons are preferable to chlorine-based ones as the latter destroys ozone. It has been estimated that approximately 0.3 microbars of CFCs would need to be introduced into Mars’ atmosphere in order to sublimate the south polar CO₂ glaciers.^[49] This is equivalent to a mass of approximately 39 million tonnes, that is, about three times the amount of CFCs manufactured on Earth from 1972 to 1992 (when CFC production was banned by international treaty).^[49] Maintaining the temperature would require continual production of such compounds as they are destroyed due to photolysis. It has been estimated that introducing 170 kilotons of optimal greenhouse compounds (CF₃CF₂CF₃, CF₃SCF₂CF₃, SF₆, SF₅CF₃, SF₄(CF₃)₂) annually would be sufficient to maintain a 70-K greenhouse effect given a terraformed atmosphere with earth-like pressure and composition.^[20]

Typical proposals envision producing the gases on Mars using locally extracted materials, nuclear power, and a significant industrial effort. The potential for mining fluorine-containing minerals to obtain the raw material necessary for the production of CFCs and PFCs is supported by mineralogical surveys of Mars that estimate the elemental presence of fluorine in the bulk composition of Mars at 32 ppm by mass (as compared to 19.4 ppm for the Earth).^[20]

Alternatively, CFCs might be introduced by sending rockets with payloads of compressed CFCs on collision courses with Mars.^[36] When the rockets crashed into the surface they would release their payloads into the atmosphere. A steady barrage of these «CFC rockets» would need to be sustained for a little over a decade while Mars changed chemically and became warmer.

Use of orbital mirrors[edit]

Mirrors made of thin aluminized PET film could be placed in orbit around Mars to increase the total insolation it receives.^[19] This would direct the sunlight onto the surface and could increase Mars’s surface temperature directly. The 125 km radius mirror could be positioned as a statite, using its effectiveness as a solar sail to orbit in a stationary position relative to Mars, near the poles, to sublimate the CO
₂ ice sheet and contribute to the warming greenhouse effect. However, certain problems have been found with this. The main concern is the difficulty of launching large mirrors from earth.^[19]

Albedo reduction[edit]

Reducing the albedo of the Martian surface would also make more efficient use of incoming sunlight in terms of heat absorption.^[50] This could be done by spreading dark dust from Mars’s moons, Phobos and Deimos, which are among the blackest bodies in the Solar System; or by introducing dark extremophile microbial life forms such as lichens, algae and bacteria.^{[citation needed]} The ground would then absorb more sunlight, warming the atmosphere. However, Mars is already the second darkest planet in the solar system, absorbing over 70% of incoming sunlight so the scope for darkening it further is small.

If algae or other green life were established, it would also contribute a small amount of oxygen to the atmosphere, though not enough to allow humans to breathe. The conversion process to produce oxygen is highly reliant upon water, without which the CO₂ is mostly converted to carbohydrates.^[51] In addition, because on Mars atmospheric oxygen is lost into space (unlike Earth where there is an Oxygen cycle), this would represent a permanent loss from the planet. For both of these reasons it would be necessary to cultivate such life inside a closed system. This would decrease the albedo of the closed system (assuming the growth had a lower albedo than the Martian soil), but would not affect the albedo of the planet as a whole.

On April 26, 2012, scientists reported that lichen survived and showed remarkable results on the adaptation capacity of photosynthetic activity within the simulation time of 34 days under Martian conditions in the Mars Simulation Laboratory (MSL) maintained by the German Aerospace Center (DLR).^[52][53]

One final issue with albedo reduction is the common Martian dust storms. These cover the entire planet for weeks, and not only increase the albedo, but block sunlight from reaching the surface. This has been observed to cause a surface temperature drop which the planet takes months to recover from.^[54] Once the dust settles it then covers whatever it lands on, effectively erasing the albedo reduction material from the view of the Sun.

Funded research: ecopoiesis[edit]

Since 2014, the NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) program and Techshot Inc have been working together to develop sealed biodomes that would employ colonies of oxygen-producing cyanobacteria and algae for the production of molecular oxygen (O₂) on Martian soil.^[55][56][57] But first they need to test if it works on a small scale on Mars.^[58] The proposal is called Mars Ecopoiesis Test Bed.^[59] Eugene Boland is the Chief Scientist at Techshot, a company located in Greenville, Indiana.^[55] They intend to send small canisters of extremophile photosynthetic algae and cyanobacteria aboard a future rover mission. The rover would cork-screw the 7 cm (2.8 in) canisters into selected sites likely to experience transients of liquid water, drawing some Martian soil and then release oxygen-producing microorganisms to grow within the sealed soil.^[55][60] The hardware would use Martian subsurface ice as its phase changes into liquid water.^[58] The system would then look for oxygen given off as metabolic byproduct and report results to a Mars-orbiting relay satellite.^[57][60]

If this experiment works on Mars, they will propose to build several large and sealed structures called biodomes, to produce and harvest oxygen for a future human mission to Mars life support systems.^[60][61] Being able to create oxygen there would provide considerable cost-savings to NASA and allow for longer human visits to Mars than would be possible if astronauts have to transport their own heavy oxygen tanks.^[61] This biological process, called ecopoiesis, would be isolated, in contained areas, and is not meant as a type of global planetary engineering for terraforming of Mars’s atmosphere,^[57][61] but NASA states that «This will be the first major leap from laboratory studies into the implementation of experimental (as opposed to analytical) planetary in situ research of greatest interest to planetary biology, ecopoiesis, and terraforming.»^[57]

Research at the University of Arkansas presented in June 2015 suggested that some methanogens could survive in Mars’s low pressure.^[62] Rebecca Mickol found that in her laboratory, four species of methanogens survived low-pressure conditions that were similar to a subsurface liquid aquifer on Mars. The four species that she tested were Methanothermobacter wolfeii, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicicum, and Methanococcus maripaludis.^[62] Methanogens do not require oxygen or organic nutrients, are non-photosynthetic, use hydrogen as their energy source and carbon dioxide (CO₂) as their carbon source, so they could exist in subsurface environments on Mars.^[62]

Protecting the atmosphere[edit]

One key aspect of terraforming Mars is to protect the atmosphere (both present and future-built) from being lost into space. Some scientists hypothesize that creating a planet-wide artificial magnetosphere would be helpful in resolving this issue. According to two NIFS Japanese scientists, it is feasible to do that with current technology by building a system of refrigerated latitudinal superconducting rings, each carrying a sufficient amount of direct current.^[64]

In the same report, it is claimed that the economic impact of the system can be minimized by using it also as a planetary energy transfer and storage system (SMES).

Magnetic shield at L₁ orbit[edit]

During the Planetary Science Vision 2050 Workshop^[15] in late February 2017, NASA scientist Jim Green proposed a concept of placing a magnetic dipole field between the planet and the Sun to protect it from high-energy solar particles. It would be located at the Mars Lagrange orbit L₁ at about 320 R_♂, creating a partial and distant artificial magnetosphere. The field would need to be «Earth comparable» and sustain 50 μT as measured at 1 Earth-radius. The paper abstract cites that this could be achieved by a magnet with a strength of 1–2 teslas (10,000–20,000 gauss).^[65] If constructed, the shield may allow the planet to partially restore its atmosphere.^[66][67][15]

Plasma torus along the orbit of Phobos[edit]

A plasma torus along the orbit of Phobos by ionizing and accelerating particles from the moon may be sufficient to create a magnetic field strong enough to protect a terraformed Mars.^[68]

Thermodynamics of terraforming[edit]

The overall energy required to sublimate the CO₂ from the south polar ice cap was modeled by Zubrin and McKay in 1993.^[19] If using orbital mirrors, an estimated 120 MW-years of electrical energy would be required in order to produce mirrors large enough to vaporize the ice caps. This is considered the most effective method, though the least practical. If using powerful halocarbon greenhouse gases, an order of 1,000 MW-years of electrical energy would be required to accomplish this heating. However, if all of this CO₂ were put into the atmosphere,
it would only double^[32] the current atmospheric pressure from 6 mbar to 12 mbar, amounting to about 1.2% of Earth’s mean sea level pressure. The amount of warming that could be produced today by putting even 100 mbar of CO₂ into the atmosphere is small, roughly of order 10 K.^[32] Additionally, once in the atmosphere, it likely would be removed quickly, either by diffusion into the subsurface and adsorption or by re-condensing onto the polar caps.^[32]

The surface or atmospheric temperature required to allow liquid water to exist has not been determined, and liquid water
conceivably could exist when atmospheric temperatures are as low as 245 K (−28 °C; −19 °F). However, a warming of 10 K is much less than thought necessary in order to produce liquid water.^[32]

See also[edit]

• Astrobotany – Study of plants grown in spacecraft
• Areography (geography of Mars)
• Colonization of Mars – Proposed concepts for human settlements on Mars
• Human mission to Mars – Proposed concepts
• Mars habitat – Facility where humans could live on Mars
• Mars to Stay – Mars colonization architecture proposing no return vehicles
• Terraforming of Venus – Engineering the global environment of Venus to make it suitable for humans
• Colonization of the outer Solar System – Settling on locations in the Solar System

References[edit]

External links[edit]

• NASA – Aerospace Scholars: Terraforming Mars at the Wayback Machine (archived September 15, 2007)
• Recent Arthur C Clarke interview mentions terraforming
• Red Colony
• Terraformers Society of Canada
• Research Paper: Technological Requirements for Terraforming Mars
• Peter Ahrens The Terraformation of Worlds

The terraforming of Mars or the terraformation of Mars is a hypothetical procedure that would consist of a planetary engineering project or concurrent projects, with the goal to transform Mars from a planet hostile to terrestrial life to one that can sustainably host humans and other lifeforms free of protection or mediation. The process would presumably involve the rehabilitation of the planet’s extant climate, atmosphere, and surface through a variety of resource-intensive initiatives, and the installation of a novel ecological system or systems.

Justifications for choosing Mars over other potential terraforming targets include the presence of water and a geological history that suggests it once harbored a dense atmosphere similar to Earth’s. Hazards and difficulties include low gravity, low light levels relative to Earth’s, and the lack of a magnetic field.

Disagreement exists about whether current technology could render the planet habitable. Reasons for objecting to terraforming include ethical concerns about terraforming and the considerable cost that such an undertaking would involve. Reasons for terraforming the planet include allaying concerns about resource use and depletion on Earth and arguments that the altering and subsequent or concurrent settlement of other planets decreases the odds of humanity’s extinction.

Motivation and side effects[edit]

Future population growth, demand for resources, and an alternate solution to the Doomsday argument may require human colonization of bodies other than Earth, such as Mars, the Moon, and other objects. Space colonization would facilitate harvesting the Solar System’s energy and material resources.^[2]

In many aspects, Mars is the most Earth-like of all the other planets in the Solar System. It is thought^[3] that Mars had a more Earth-like environment early in its geological history, with a thicker atmosphere and abundant water that was lost over the course of hundreds of millions of years through atmospheric escape. Given the foundations of similarity and proximity, Mars would make one of the most plausible terraforming targets in the Solar System.

Side effects of terraforming include the potential displacement or destruction of any indigenous life if such life exists.^[4][5][6][7]

Challenges and limitations[edit]

The Martian environment presents several terraforming challenges to overcome and the extent of terraforming may be limited by certain key environmental factors. Here is a list of some of the ways in which Mars differs from Earth, which terraforming seeks to address:

• Reduced light levels (about 60% of Earth) ^[8]
• Low surface gravity (38% of Earth’s)
• Unbreatheable atmosphere^[9]
• Atmospheric pressure (about 1% of Earth’s; well below the Armstrong limit)
• Ionizing solar and cosmic radiation at the surface ^[10]
• Average temperature −63 °C (210 K; −81 °F) compared to Earth average of 14 °C (287 K; 57 °F))^[11]
• Molecular instability — bonds between atoms break down in critical molecules such as organic compounds
• Global dust storms
• No natural food source
• Toxic soil^[12][13]
• No global magnetic field to shield against the solar wind

Countering the effects of space weather[edit]

Mars doesn’t have an intrinsic global magnetic field, but the solar wind directly interacts with the atmosphere of Mars, leading to the formation of a magnetosphere from magnetic field tubes.^[14] This poses challenges for mitigating solar radiation and retaining an atmosphere.

The lack of a magnetic field, its relatively small mass, and its atmospheric photochemistry, all would have contributed to the evaporation and loss of its surface liquid water over time.^[15] Solar wind–induced ejection of Martian atmospheric atoms has been detected by Mars-orbiting probes, indicating that the solar wind has stripped the Martian atmosphere over time. For comparison, while Venus has a dense atmosphere, it has only traces of water vapor (20 ppm) as it lacks a large, dipole-induced, magnetic field.^[14][16][15]
Earth’s ozone layer provides additional protection. Ultraviolet light is blocked before it can dissociate water into hydrogen and oxygen.^[17]

Low gravity and pressure[edit]

The surface gravity on Mars is 38% of that on Earth. It is not known if this is enough to prevent the health problems associated with weightlessness.^[18]

Mars’s CO
₂ atmosphere has about 1% the pressure of the Earth’s at sea level. It is estimated that there is sufficient CO
₂ ice in the regolith and the south polar cap to form a 30 to 60 kilopascals [kPa] (4.4 to 8.7 psi) atmosphere if it is released by planetary warming.^[19] The reappearance of liquid water on the Martian surface would add to the warming effects and atmospheric density,^[19] but the lower gravity of Mars requires 2.6 times Earth’s column airmass to obtain the optimum 100 kPa (15 psi) pressure at the surface.^[20] Additional volatiles to increase the atmosphere’s density must be supplied from an external source, such as redirecting several massive asteroids (40-400 billion tonnes total) containing ammonia (NH
₃) as a source of nitrogen.^[19]

Breathing on Mars[edit]

Current conditions in the Martian atmosphere, at less than 1 kPa (0.15 psi) of atmospheric pressure, are significantly below the Armstrong limit of 6 kPa (0.87 psi) where very low pressure causes exposed bodily liquids such as saliva, tears, and the liquids wetting the alveoli within the lungs to boil away. Without a pressure suit, no amount of breathable oxygen delivered by any means will sustain oxygen-breathing life for more than a few minutes.^[21][22] In the NASA technical report Rapid (Explosive) Decompression Emergencies in Pressure-Suited Subjects, after exposure to pressure below the Armstrong limit, a survivor reported that his «last conscious memory was of the water on his tongue beginning to boil».^[22] In these conditions humans die within minutes unless a pressure suit provides life support.

If Mars’ atmospheric pressure could rise above 19 kPa (2.8 psi), then a pressure suit would not be required. Visitors would only need to wear a mask that supplied 100% oxygen under positive pressure. A further increase to 24 kPa (3.5 psi) of atmospheric pressure would allow a simple mask supplying pure oxygen.^{[23][clarification needed]} This might look similar to mountain climbers who venture into pressures below 37 kPa (5.4 psi), also called the death zone, where an insufficient amount of bottled oxygen has often resulted in hypoxia with fatalities.^[24] However, if the increase in atmospheric pressure was achieved by increasing CO₂ (or other toxic gas) the mask would have to ensure the external atmosphere did not enter the breathing apparatus. CO₂ concentrations as low as 1% cause drowsiness in humans. Concentrations of 7% to 10% may cause suffocation, even in the presence of sufficient oxygen. (See Carbon dioxide toxicity.)

In 2021, the NASA Mars rover Perseverance was able to make oxygen on Mars. However, the process is complex and takes a lot of time to produce a small amount of oxygen.^[25]

Advantages[edit]

According to scientists, Mars exists on the outer edge of the habitable zone, a region of the Solar System where liquid water on the surface may be supported if concentrated greenhouse gases could increase the atmospheric pressure.^[19] The lack of both a magnetic field and geologic activity on Mars may be a result of its relatively small size, which allowed the interior to cool more quickly than Earth’s, although the details of such a process are still not well understood.^[26][27]

There are strong indications that Mars once had an atmosphere as thick as Earth’s during an earlier stage in its development, and that its pressure supported abundant liquid water at the surface.^[28] Although water appears to have once been present on the Martian surface, ground ice currently exists from mid-latitudes to the poles.^[29][30] The soil and atmosphere of Mars contain many of the main elements crucial to life, including sulfur, nitrogen, hydrogen, oxygen, phosphorus and carbon.^[31]

Any climate change induced in the near term is likely to be driven by greenhouse warming produced by an increase in atmospheric carbon dioxide (CO
₂) and a consequent increase in atmospheric water vapor. These two gases are the only likely sources of greenhouse warming that are available in large quantities in Mars’ environment.^[32] Large amounts of water ice exist below the Martian surface, as well as on the surface at the poles, where it is mixed with dry ice, frozen CO₂. Significant amounts of water are located at the south pole of Mars, which, if melted, would correspond to a planetwide ocean 5–11 meters deep.^[33][34] Frozen carbon dioxide (CO₂) at the poles sublimes into the atmosphere during the Martian summers, and small amounts of water residue are left behind, which fast winds sweep off the poles at speeds approaching 400 km/h (250 mph).^{[citation needed][original research?]} This seasonal occurrence transports large amounts of dust and water ice into the atmosphere, forming Earth-like ice clouds.^[35]

Most of the oxygen in the Martian atmosphere is present as carbon dioxide (CO₂), the main atmospheric component. Molecular oxygen (O₂) only exists in trace amounts. Large amounts of oxygen can be also found in metal oxides on the Martian surface, and in the soil, in the form of per-nitrates.^[36] An analysis of soil samples taken by the Phoenix lander indicated the presence of perchlorate, which has been used to liberate oxygen in chemical oxygen generators.^[37] Electrolysis could be employed to separate water on Mars into oxygen and hydrogen if sufficient liquid water and electricity were available. However, if vented into the atmosphere it would escape into space.

Proposed methods and strategies[edit]

Terraforming Mars would entail three major interlaced changes: building up the magnetosphere, building up the atmosphere, and raising the temperature. The atmosphere of Mars is relatively thin and has a very low surface pressure. Because its atmosphere consists mainly of CO₂, a known greenhouse gas, once Mars begins to heat, the CO₂ may help to keep thermal energy near the surface. Moreover, as it heats, more CO₂ should enter the atmosphere from the frozen reserves on the poles, enhancing the greenhouse effect. This means that the two processes of building the atmosphere and heating it would augment each other, favoring terraforming. However, it would be difficult to keep the atmosphere together because of the lack of a protective global magnetic field against erosion by the solar wind.^{[38][39][40][41]}

Importing ammonia[edit]

One method of augmenting the Martian atmosphere is to introduce ammonia (NH₃). Large amounts of ammonia are likely to exist in frozen form on minor planets orbiting in the outer Solar System. It might be possible to redirect the orbits of these or smaller ammonia-rich objects so that they collide with Mars, thereby transferring the ammonia into the Martian atmosphere.^[42][19] Ammonia is not stable in the Martian atmosphere, however. It breaks down into (diatomic) nitrogen and hydrogen after a few hours.^[43] Thus, though ammonia is a powerful greenhouse gas, it is unlikely to generate much planetary warming. Presumably, the nitrogen gas would eventually be depleted by the same processes that stripped Mars of much of its original atmosphere, but these processes are thought to have required hundreds of millions of years. Being much lighter, the hydrogen would be removed much more quickly. Carbon dioxide is 2.5 times the density of ammonia, and nitrogen gas, which Mars barely holds on to, is more than 1.5 times the density, so any imported ammonia that did not break down would also be lost quickly into space.

Importing hydrocarbons[edit]

Another way to create a Martian atmosphere would be to import methane (CH₄) or other hydrocarbons,^[44][45] which are common in Titan’s atmosphere and on its surface; the methane could be vented into the atmosphere where it would act to compound the greenhouse effect.^[46] However, like ammonia (NH₃), methane (CH₄) is a relatively light gas. It is in fact even less dense than ammonia and so would similarly be lost into space if it was introduced, and at a faster rate than ammonia. Even if a method could be found to prevent it escaping into space, methane can exist in the Martian atmosphere for only a limited period before it is destroyed. Estimates of its lifetime range from 0.6–4 years.^[47][48]

Use of fluorine compounds[edit]

Especially powerful greenhouse gases, such as sulfur hexafluoride, chlorofluorocarbons (CFCs), or perfluorocarbons (PFCs), have been suggested both as a means of initially warming Mars and of maintaining long-term climate stability.^{[19][20][49][32]} These gases are proposed for introduction because they generate a greenhouse effect thousands of times stronger than that of CO₂. Fluorine-based compounds such as sulphur hexafluoride and perfluorocarbons are preferable to chlorine-based ones as the latter destroys ozone. It has been estimated that approximately 0.3 microbars of CFCs would need to be introduced into Mars’ atmosphere in order to sublimate the south polar CO₂ glaciers.^[49] This is equivalent to a mass of approximately 39 million tonnes, that is, about three times the amount of CFCs manufactured on Earth from 1972 to 1992 (when CFC production was banned by international treaty).^[49] Maintaining the temperature would require continual production of such compounds as they are destroyed due to photolysis. It has been estimated that introducing 170 kilotons of optimal greenhouse compounds (CF₃CF₂CF₃, CF₃SCF₂CF₃, SF₆, SF₅CF₃, SF₄(CF₃)₂) annually would be sufficient to maintain a 70-K greenhouse effect given a terraformed atmosphere with earth-like pressure and composition.^[20]

Typical proposals envision producing the gases on Mars using locally extracted materials, nuclear power, and a significant industrial effort. The potential for mining fluorine-containing minerals to obtain the raw material necessary for the production of CFCs and PFCs is supported by mineralogical surveys of Mars that estimate the elemental presence of fluorine in the bulk composition of Mars at 32 ppm by mass (as compared to 19.4 ppm for the Earth).^[20]

Alternatively, CFCs might be introduced by sending rockets with payloads of compressed CFCs on collision courses with Mars.^[36] When the rockets crashed into the surface they would release their payloads into the atmosphere. A steady barrage of these «CFC rockets» would need to be sustained for a little over a decade while Mars changed chemically and became warmer.

Use of orbital mirrors[edit]

Mirrors made of thin aluminized PET film could be placed in orbit around Mars to increase the total insolation it receives.^[19] This would direct the sunlight onto the surface and could increase Mars’s surface temperature directly. The 125 km radius mirror could be positioned as a statite, using its effectiveness as a solar sail to orbit in a stationary position relative to Mars, near the poles, to sublimate the CO
₂ ice sheet and contribute to the warming greenhouse effect. However, certain problems have been found with this. The main concern is the difficulty of launching large mirrors from earth.^[19]

Albedo reduction[edit]

Reducing the albedo of the Martian surface would also make more efficient use of incoming sunlight in terms of heat absorption.^[50] This could be done by spreading dark dust from Mars’s moons, Phobos and Deimos, which are among the blackest bodies in the Solar System; or by introducing dark extremophile microbial life forms such as lichens, algae and bacteria.^{[citation needed]} The ground would then absorb more sunlight, warming the atmosphere. However, Mars is already the second darkest planet in the solar system, absorbing over 70% of incoming sunlight so the scope for darkening it further is small.

If algae or other green life were established, it would also contribute a small amount of oxygen to the atmosphere, though not enough to allow humans to breathe. The conversion process to produce oxygen is highly reliant upon water, without which the CO₂ is mostly converted to carbohydrates.^[51] In addition, because on Mars atmospheric oxygen is lost into space (unlike Earth where there is an Oxygen cycle), this would represent a permanent loss from the planet. For both of these reasons it would be necessary to cultivate such life inside a closed system. This would decrease the albedo of the closed system (assuming the growth had a lower albedo than the Martian soil), but would not affect the albedo of the planet as a whole.

On April 26, 2012, scientists reported that lichen survived and showed remarkable results on the adaptation capacity of photosynthetic activity within the simulation time of 34 days under Martian conditions in the Mars Simulation Laboratory (MSL) maintained by the German Aerospace Center (DLR).^[52][53]

One final issue with albedo reduction is the common Martian dust storms. These cover the entire planet for weeks, and not only increase the albedo, but block sunlight from reaching the surface. This has been observed to cause a surface temperature drop which the planet takes months to recover from.^[54] Once the dust settles it then covers whatever it lands on, effectively erasing the albedo reduction material from the view of the Sun.

Funded research: ecopoiesis[edit]

Since 2014, the NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) program and Techshot Inc have been working together to develop sealed biodomes that would employ colonies of oxygen-producing cyanobacteria and algae for the production of molecular oxygen (O₂) on Martian soil.^[55][56][57] But first they need to test if it works on a small scale on Mars.^[58] The proposal is called Mars Ecopoiesis Test Bed.^[59] Eugene Boland is the Chief Scientist at Techshot, a company located in Greenville, Indiana.^[55] They intend to send small canisters of extremophile photosynthetic algae and cyanobacteria aboard a future rover mission. The rover would cork-screw the 7 cm (2.8 in) canisters into selected sites likely to experience transients of liquid water, drawing some Martian soil and then release oxygen-producing microorganisms to grow within the sealed soil.^[55][60] The hardware would use Martian subsurface ice as its phase changes into liquid water.^[58] The system would then look for oxygen given off as metabolic byproduct and report results to a Mars-orbiting relay satellite.^[57][60]

If this experiment works on Mars, they will propose to build several large and sealed structures called biodomes, to produce and harvest oxygen for a future human mission to Mars life support systems.^[60][61] Being able to create oxygen there would provide considerable cost-savings to NASA and allow for longer human visits to Mars than would be possible if astronauts have to transport their own heavy oxygen tanks.^[61] This biological process, called ecopoiesis, would be isolated, in contained areas, and is not meant as a type of global planetary engineering for terraforming of Mars’s atmosphere,^[57][61] but NASA states that «This will be the first major leap from laboratory studies into the implementation of experimental (as opposed to analytical) planetary in situ research of greatest interest to planetary biology, ecopoiesis, and terraforming.»^[57]

Research at the University of Arkansas presented in June 2015 suggested that some methanogens could survive in Mars’s low pressure.^[62] Rebecca Mickol found that in her laboratory, four species of methanogens survived low-pressure conditions that were similar to a subsurface liquid aquifer on Mars. The four species that she tested were Methanothermobacter wolfeii, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium formicicum, and Methanococcus maripaludis.^[62] Methanogens do not require oxygen or organic nutrients, are non-photosynthetic, use hydrogen as their energy source and carbon dioxide (CO₂) as their carbon source, so they could exist in subsurface environments on Mars.^[62]

Protecting the atmosphere[edit]

One key aspect of terraforming Mars is to protect the atmosphere (both present and future-built) from being lost into space. Some scientists hypothesize that creating a planet-wide artificial magnetosphere would be helpful in resolving this issue. According to two NIFS Japanese scientists, it is feasible to do that with current technology by building a system of refrigerated latitudinal superconducting rings, each carrying a sufficient amount of direct current.^[64]

In the same report, it is claimed that the economic impact of the system can be minimized by using it also as a planetary energy transfer and storage system (SMES).

Magnetic shield at L₁ orbit[edit]

During the Planetary Science Vision 2050 Workshop^[15] in late February 2017, NASA scientist Jim Green proposed a concept of placing a magnetic dipole field between the planet and the Sun to protect it from high-energy solar particles. It would be located at the Mars Lagrange orbit L₁ at about 320 R_♂, creating a partial and distant artificial magnetosphere. The field would need to be «Earth comparable» and sustain 50 μT as measured at 1 Earth-radius. The paper abstract cites that this could be achieved by a magnet with a strength of 1–2 teslas (10,000–20,000 gauss).^[65] If constructed, the shield may allow the planet to partially restore its atmosphere.^[66][67][15]

Plasma torus along the orbit of Phobos[edit]

A plasma torus along the orbit of Phobos by ionizing and accelerating particles from the moon may be sufficient to create a magnetic field strong enough to protect a terraformed Mars.^[68]

Thermodynamics of terraforming[edit]

The overall energy required to sublimate the CO₂ from the south polar ice cap was modeled by Zubrin and McKay in 1993.^[19] If using orbital mirrors, an estimated 120 MW-years of electrical energy would be required in order to produce mirrors large enough to vaporize the ice caps. This is considered the most effective method, though the least practical. If using powerful halocarbon greenhouse gases, an order of 1,000 MW-years of electrical energy would be required to accomplish this heating. However, if all of this CO₂ were put into the atmosphere,
it would only double^[32] the current atmospheric pressure from 6 mbar to 12 mbar, amounting to about 1.2% of Earth’s mean sea level pressure. The amount of warming that could be produced today by putting even 100 mbar of CO₂ into the atmosphere is small, roughly of order 10 K.^[32] Additionally, once in the atmosphere, it likely would be removed quickly, either by diffusion into the subsurface and adsorption or by re-condensing onto the polar caps.^[32]

The surface or atmospheric temperature required to allow liquid water to exist has not been determined, and liquid water
conceivably could exist when atmospheric temperatures are as low as 245 K (−28 °C; −19 °F). However, a warming of 10 K is much less than thought necessary in order to produce liquid water.^[32]

See also[edit]

• Astrobotany – Study of plants grown in spacecraft
• Areography (geography of Mars)
• Colonization of Mars – Proposed concepts for human settlements on Mars
• Human mission to Mars – Proposed concepts
• Mars habitat – Facility where humans could live on Mars
• Mars to Stay – Mars colonization architecture proposing no return vehicles
• Terraforming of Venus – Engineering the global environment of Venus to make it suitable for humans
• Colonization of the outer Solar System – Settling on locations in the Solar System

References[edit]

External links[edit]

• NASA – Aerospace Scholars: Terraforming Mars at the Wayback Machine (archived September 15, 2007)
• Recent Arthur C Clarke interview mentions terraforming
• Red Colony
• Terraformers Society of Canada
• Research Paper: Technological Requirements for Terraforming Mars
• Peter Ahrens The Terraformation of Worlds

Мечта человечества о запасной планете для жизни подверглась серьезному испытанию — запасов углекислого газа на Марсе, по данным исследований зонда MAVEN, не хватит на создание атмосферного давления, необходимого для колонизации планеты. «Хайтек» перевел и адаптировал статью WIRED о проблемах колонизаторов, спорах в научном сообществе и минимальных требованиях для жизни на Марсе.