NASA знает как вновь сделать Марс зелёным
С искусственным магнитным полем атмосфера Марса и жидкие поверхностные воды могут быть восстановлены. И можно надеяться, что жизнь вновь вернётся на Марс после запуска магнитного поля. NASA
В NASA размышляют о запуске искусственного магнитного поля вблизи Марса, чтобы оно помогло создать атмосферу, которая поможет Марсу поддерживать жизнь. С магнитным полем Марс сможет заиметь атмосферу в половину атмосферного давления Земли в течение нескольких лет, и, возможно, мы переселимся на Марс намного раньше, чем мы планировали.
Наша Земля имеет магнитное поле, защищающее нас от сильных солнечных бурь, которые в противном случае разрушили бы нашу атмосферу и возможность жизни. Магнитное поле защищает нас от хаотической среды за пределами земной атмосферы. Яркий пример защиты магнитного поля – Северное сияние. Северное сияние связано с взаимодействием нашей атмосферы и частиц высоких энергий, выброшенных из Солнца. Магнитное поле Земли направляет эти частицы по спирали к полюсам нашей планеты и показывает нам эти прекрасные яркие узоры в небе. Реакция между частицами высоких энергий и различными газами в нашей атмосфере, такими как кислород и азот, даёт разные цвета. Так наша атмосфера защищает нас от космического излучения.
Раньше и у Марса была более плотная атмосфера, много жидкой воды, было теплее и влажнее. Сейчас Марс намного холоднее и суше. И учёные сомневаются, была ли жизнь на Марсе раньше? Директор NASA по планетарной науке Джеймс Грин считает, что на Марсе можно создать более влажную атмосферу и жидкую поверхностную воду, если магнитное поле снова будет восстановлено. Грин показал свои симуляции и модели на семинаре Planetary Science Vision 2050 в штаб-квартире NASA в Вашингтоне. Его работа показала, как они восстановят атмосферу Марса, чтобы в будущем люди могли легко исследовать Марс и, возможно, даже колонизировать Красную Планету.
Джеймс Грин на семинаре Planetary Science Vision 2050
Моделирование показало мощную замкнутую электрическую цепь, которая была выведена на орбиту и помещена перед Марсом. Электрические токи создают магнитные поля. Эта замкнутая электрическая цепь создала магнитное поле, которое отклоняло бы и перенаправляло заряженные частицы от Марса, так что Марс мог бы создать более плотную атмосферу, не разрушаемую сильным солнечным ветром. Для оптимального эффекта мощная электрическая цепь будет располагаться в точке Лагранжа L1 на расстоянии примерно 320 радиусов Марса.
Мощная замкнутая электрическая цепь перед Марсом, а также отклонение заряженных частиц солнечного ветра от Марса. В результате на Марсе из-за искусственного магнитного поля может образоваться атмосфера. NASA
По оценкам, в течение нескольких лет атмосфера Марса может достигнуть половины атмосферного давления Земли. Кто знает, быть может, мы полетим на Марс раньше, чем считалось ранее.
НАСА предлагает восстановить атмосферу Марса при помощи магнитного щита
Марс, как и Венера — землеподобные планеты. У них очень много общего, но есть и отличия. Ученые не теряют надежды найти жизнь на Марсе, а также терраформировать этого «родственника» Земли, пускай и в далеком будущем. Для Красной планеты эта задача выглядит более простой, чем для Венеры. К сожалению, у Марса очень слабое магнитное поле, что усложняет ситуацию. Дело в том, что из-за почти полного отсутствия магнитного поля солнечный ветер оказывает очень сильное влияние на атмосферу планеты. Он вызывает диссипацию атмосферных газов, так что в сутки в космос уходит около 300 тонн атмосферных газов.
По мнению специалистов, именно солнечный ветер стал причиной рассеивания около 90% марсианской атмосферы в течение миллиардов лет. В итоге давление у поверхности Марса составляет 0,7-1,155 кПа (1/110 от земного, такое давление на Земле можно увидеть, поднявшись на высоту в тридцать километров от поверхности).
Атмосфера на Марсе состоит, преимущественно, из углекислого газа (95%) с небольшими примесями азота, аргона, кислорода и некоторых других газов. К сожалению, давление и состав атмосферы на Красной планете делает дыхание земных живых организмов невозможным на Красной планете. Вероятно, некоторые микроскопические организмы и смогут выжить, но и они не смогут чувствовать себя в таких условиях комфортно.
Состав атмосферы — не такая уж и проблема. Если бы атмосферное давление на Марсе составило бы половину или треть от земного, то колонисты или марсонавты смогли бы находиться в определенное время суток и года на поверхности планеты без скафандров, используя лишь аппарат для дыхания. Более комфортно на Марсе почувствовали бы себя и многие земные организмы.
В НАСА считают, что повысить давление атмосферы на соседе Земли можно, если защитить Марс от солнечного ветра. Такую защиту обеспечивает магнитное поле. На Земле оно существует благодаря так называемому механизму гидродинамического динамо. В жидком ядре планеты постоянно циркулируют потоки электропроводящего вещества (расплавленного железа), благодаря чему возбуждаются электрические токи, которые создают магнитные поля. Внутренние потоки в ядре земли ассиметричны, что обуславливает усиление магнитного поля. Магнитосфера Земли надежно защищает атмосферу от «выдувания» солнечным ветром.
Диполь по расчетам авторов проекта создания магнитного щита для Марса будет генерировать достаточно сильное магнитное поле, которое не допустит к планете солнечный ветер
К сожалению для человека, на Марсе (и Венере) нет постоянного мощного магнитного поля, фиксируются лишь слабые следы. Благодаря Mars Global Surveyor удалось обнаружить магнитное вещество под корой Марса. В НАСА считают, что эти аномалии образовались под влиянием некогда магнитного ядра и сохранили магнитные свойства даже после того, как сама планета утратила свое поле.
Где взять магнитный щит
Директор научного отдела НАСА Джим Грин считает, что естественное магнитное поле Марса восстановить нельзя, во всяком случае, сейчас или даже в очень отдаленном будущем человечеству это не по силам. А вот создать искусственное поле можно. Правда, не на самом Марсе, а рядом с ним. Выступая с докладом «Будущее окружающей среды Марса для исследований и науки» на мероприятии Planetary Science Vision 2050 Workshop, Грин предложил создать магнитный щит. Этот щит, Mars L1, по замыслу авторов проекта, закроет Марс от солнечного ветра, и планета начнет восстанавливать свою атмосферу. Расположить щит планируется между Марсом и Солнцем, где он находился бы на стабильной орбите. Создать поле планируется при помощи громадного диполя или же двух равных и противоположно заряженных магнитов.
На схеме НАСА показано, как магнитный щит будет защищать Марс от воздействия солнечного ветра
Авторы идеи создали несколько симуляционных моделей, каждая из которых показала, что в течение нескольких лет после запуска магнитного щита давление на Марсе достигнет половины земного. В частности, углекислый газ на полюсах Марса будет испаряться, переходя в газ из твердой фазы. С течением времени проявит себя парниковый эффект, на Марсе начнет теплеть, лед, который находится близко к поверхности планеты во многих ее местах, растает и планета покроется водой. Считается, что такие условия существовали на Марсе около 3,5 млрд лет назад.
Конечно, это проект не сегодняшнего дня, но, возможно, в будущем столетии люди смогут реализовать эту идею и терраформировать Марс, создав себе второй дом.
Ученые из NASA хотят восстановить магнитное поле Марса и сделать планету обитаемой
Ученые из аэрокосмического агентства NASA предложили амбициозный, но в то же время весьма дерзкий план, согласно которому Марсу можно будет вернуть его атмосферу и сделать Красную планету обитаемой для будущих поколений колонистов с Земли. По мнению специалистов, создание огромного магнитного экрана вокруг Марса позволит уберечь его от воздействия солнечных ветров и восстановить атмосферу планеты. Терраформирование ее поверхности, в свою очередь, позволит вернуть на планету воду.
Может, Марс сейчас и выглядит как холодная и безжизненная пустыня, однако когда-то Красная планета обладала плотной атмосферой, которая могла поддерживать наличие на поверхности глубоких океанских вод. Кроме того, Марс когда-то был гораздо теплее и, вполне возможно, обладал обитаемым климатом.
Ученые считают, что Марс утратил почти всю свою атмосферу, когда его защитное магнитное поле исчезло несколько миллиардов лет назад. В результате этого солнечный ветер – высокозаряженные частицы, излучаемые Солнцем, – в буквальном смысле стали рвать атмосферу Красной планеты на части и продолжают это делать по сей день.
Новые компьютерные модели NASA говорят о том, что есть способ вернуть Марсу его плотную атмосферу. И для этого совсем не потребуется использовать ядерную бомбардировку, как это однажды предложил сделать Илон Маск. Вместо этого космическое агентство считает, что решением вопроса может стать создание искусственного и достаточного мощного магнитного щита, который послужит заменой утраченной Марсом собственной магнитосферы, предоставив шанс естественным образом восстановить его атмосферу.
В представленной на прошедшем на прошлой неделе мероприятии Planetary Science Vision 2050 Workshop презентации руководитель отдела планетарных исследований NASA Джим Грин рассказал о том, что создание «искусственной магнитосферы» между Марсом и Солнцем теоретически сможет экранировать Красную планету, образовав вокруг нее защитное поле.
«Это позволит исключить воздействие множества создаваемых солнечным ветром эрозийных процессов, возникающих в ионосфере планеты и ее верхнем слое атмосферы, позволив ей накопить силы и со временем снизить свою температуру», — объясняют ученые.
Ученые понимают, что на первый взгляд идея может показаться фантастической, однако в качестве примера приводят эксперименты по созданию компактной магнитосферы для защиты астронавтов и космических аппаратов от воздействия космического излучения. Исследователи считают, что подобные технологии, но в более крупном масштабе, можно будет использовать и для магнитного экранирования Марса.
«Действительно существует возможность, благодаря которой мы можем сделать магнитное поле планеты более надежным и обеспечить необходимую для нее защиту. Однако нужно придумать способ изменять направление магнитного поля, чтобы оно постоянно было направлено в сторону солнечного ветра», — заявил Грин на презентации.
Компьютерные модели показали, что при наличии магнитного щита потеря марсианской атмосферы прекратится. При этом восстановить уровень атмосферы и атмосферного давления, равных половинным земным показателям, можно будет уже в течение всего нескольких лет. По подсчетам ученых, когда атмосфера планеты станет плотнее, температура на поверхности Марса в среднем повысится примерно на 4 градуса Цельсия, что будет вполне достаточно для того, чтобы находящаяся на северном плюсе Красной планеты ледяная шапка из углекислого газа полностью растаяла. Когда это случится, углерод в атмосфере сможет улавливать тепло, как это происходит на Земле, запустив процессы парниковых эффектов, которые приведут к таянию марсианского водного льда и возвращению на планету жидкой воды в виде рек, озер и даже океанов.
Если все пойдет так, как описывают исследователи, то в течение пары поколений Марс сможет вернуть себе утраченный вид потенциально обитаемой планеты.
«Это не совсем терраформирование в привычном понимании этого термина, где климат восстанавливался бы полностью за счет искусственных методов. Этот вариант скорее позволит природе самостоятельно восстановить свой баланс, причем произойдет это согласно тем законам природной физики, которые нам известны», — говорит Грин.
Команда исследователей прекрасно понимает, что их план носит сейчас не более чем гипотетический характер, однако эта идея, по их мнению, действительно кажется интересной и осуществимой в относительно недалеком будущем. Ученые сообщают, что собираются продолжить исследование, чтобы получить более точные расчеты о том, насколько долгим может быть процесс естественного восстановления экосистемы Красной планеты. Если концепт докажет свою состоятельность, то еще неизвестно, насколько он будет способен изменить наши взгляды о колонизации Марса в будущем.
«Возвращение плотной атмосферы на Марс позволит высаживать и использовать на планете более крупное научное и техническое оборудование, предоставит существенно повышенную защиту от космической и солнечной радиации, повысит возможности добычи кислорода на планете и обеспечит ее парниковыми эффектами, необходимыми для роста растений. И это лишь некоторые из потенциальных открывающихся возможностей», — объясняют ученые.
«Если этого удастся добиться, не откладывая на потом, то колонизация Марса станет не такой уж и отдаленной перспективой».
Магнитный щит для Марса: сработает ли идея NASA по терраформированию красной планеты?
Марс как возможное место существования жизни вне Земли, пожалуй, привлекает наибольшее внимание среди всех небесных тел. Этому способствовало и открытие каналов на Марсе в конце ХIХ века, и последующая «реклама» многих писателей-фантастов, а позднее, со второй половины ХХ века, и научные данные об условиях на поверхности этой планеты. Конечно, никаких, описывавшихся в фантастических романах, построек или растений, найдено не было, но даже научные данные показывают: по сравнению с Луной или Венерой Марс — «очень даже ничего».
Что мы имеем на поверхности Венеры? Температура около 500°C, давление около 100 атм, спускаемые аппараты со специальный защитой в такой среде живут не более нескольких десятков минут. На Луне: атмосфера отсутствует, из-за этого температура на дневной поверхности — плюс 100-150°C, во время двухнедельной ночи — столько же со знаком минус. Чтобы пережить такую ночь, нужны атомные источник энергии для подогрева (так называемый РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрический генератор).
Главное же, что внушает оптимизм в смысле возможности длительного существования на Марсе, — наличие воды (льда) в очень больших количествах. Вода — это главный расходуемый ресурс при полетах человека в космос. С помощью электричества из воды можно получить кислород, нужный для дыхания, и водород, используемый как топливо.
Главная опасность для человека — космическая радиация. Рельеф и грунт на Марсе вполне позволяют зарыться на несколько метров и таким образом защититься от нее, хотя на поверхности надолго появляться не рекомендуется. В сумме – при желании на Марсе можно относительно неплохо устроиться по сравнению с другими внеземными вариантами.
А чем может быть интересен Марс? По одной из гипотез, в первые несколько сотен миллионов лет своего существования Марс обладал более развитой атмосферой, а значит был, скорее всего, более теплым и на нем тоже могла появиться жизнь. Правда, вряд ли она бы успела развиться до чего-то более или менее заметного: на Земле, например, первые несколько миллиардов лет существовали только самые примитивные одноклеточные. В современных условиях можно ожидать найти либо окаменелости, либо, если очень повезет, чудом выжившие отдельные колонии опять же одноклеточных организмов. Открытие внеземной жизни и ее сравнение с земным вариантом даст науке информацию о механизмах эволюции, значение которой переоценить невозможно, — это будет настоящий прорыв в понимании места и роли нашей цивилизации в космосе. Например, сразу можно будет проверить гипотезы о заселении Земли с Марса или наоборот. А вдруг марсианская жизнь будет вовсе не на белковой или аминокислотной основе.
По совокупности всех причин Марс и притягивает наше особое внимание, даже сейчас, когда мы точно знаем, что писатели-фантасты были не правы. Например, число космических проектов по исследованию Марса сейчас больше, чем спутников, запускаемых к Луне. На горизонте и полет человека на Марс, ставший одним из основных маяков, к которым стремится человечество в космосе.
К сожалению, это сделать гораздо сложнее, чем слетать на Луну. От повторения американской высадки на Луну человечество удерживает только финансовый вопрос, технически это вполне в пределах досягаемости. Для полета же на Марс надо вывести на орбиту на порядок большую массу, чем для полета на Луну, — несколько сотен тонн. Это связано с тем, что для разгона и торможения у Марса, и для возврата нужно гораздо больше топлива. Есть и проблемы с надежностью. При полете на Луну космический корабль не выходит из пределов зоны притяжения Земли, и, случись что не так, вернуться обратно почти всегда возможно. При полете по межпланетной траектории все строго наоборот, один неверный маневр и «давай, до свидания». В сумме, при нынешнем развитии цивилизации возможен только разовый полет «на недельку» и то лет через двадцать, а многие специалисты считают, что и это недостижимо — надо ждать «фотонных двигателей» или «подпространственных туннелей».
Ввиду вышеизложенного, все, о чем пойдет речь ниже — чистой воды научная фантастика, но всё-таки научная. Итак, предлагается посмотреть на Марс как на вторую планету для нашей цивилизации. Можно отселить туда добровольцев или обустроить ее «про запас», на случай какой-нибудь космической катастрофы с Землей (главное только, чтобы при этом Марс не «зацепило»!). Хотя Илон Маск и обещает отправлять людей на Марс тысячами, представляется все-таки, что это больше рекламный ход, так что рассмотрим более реалистичные варианты. Тут и возникает идея терраформирования.
Терраформирование нужно, чтобы земные колонисты встретили на планете более подходящие условия жизни. Этот термин впервые появился в научной фантастике и означает создание на каком-либо небесном теле среды, похожей на земную. Вариантов много: от каких-то куполов на поверхности до изменения всего климата и ландшафта планеты. Предлагается воздействовать на Марс так, чтобы атмосфера стала плотнее, радиация уменьшилась, а температурные перепады вошли в земную норму. Простейший способ — растопить углекислоту в полярных шапках, тогда атмосфера «раздуется» и потеплеет из-за парникового эффекта. Дальнейшее развитие событий зависит только от нашего воображения: растает и водяной лед, наполнятся океаны и потекут реки, а расплодившаяся флора начнет перерабатывать углекислоту в кислород.
Вопрос в другом — хватит ли «сил» на раскрутку такого сценария? Вообще говоря, региональное воздействие на климат земная цивилизация освоила довольно давно и обычно — с негативными последствиями. В античные времена вырубка лесов в Сахаре привела к опустыниванию, а сегодня огромные водохранилища и мегаполисы вызывают вполне заметное локальное потепление.
Но в планетарном масштабе, конечно, это невозможно, у человечества просто не хватит энергии на управление процессом (причем «не хватит» с оглушительным разрывом). Итак, в лучшем случае, можно рассчитывать только на толчок, после которого события будут развиваться сами по себе, будем надеяться, в предсказанном и нужном нам направлении.
Основная концептуальная проблема, однако, даже не в том, как «толкнуть», а в том, что у нас нет никаких гарантий, что процесс пойдет дальше правильным путем. На Земле объединенная система «атмосфера-гидросфера-биосфера», от которой зависит климат, настолько сложна, что ее реалистичное моделирование не представляется возможным. Имеется огромное количество малых взаимодействующих факторов, каждый из которых слишком мал сам по себе, но изменение любого может привести к радикальным последствиям (есть даже такой термин — «эффект бабочки», возникший по аналогии с известным рассказом Рея Бредбери). Венера — тому пример. Представляется, что на ее поверхности не должно быть сильно жарче, чем на Земле, однако неконтролируемый парниковый эффект разогрел ее до 500°C и возврат назад стал практически не возможен.
Подумаем, как организовать процесс наиболее естественным путем, без атомной бомбы. Вот здесь и появляются на сцене коллеги из НАСА. Кстати, замечу, что автор идеи Джим Грин — один из научных чиновников НАСА, и это его личная идея, а вовсе не официальное мнение администрации. Если у планеты нет магнитного поля (Марс — именно такой случай), то солнечный ветер — поток плазмы, летящий от Солнца, — «сдувает» верхние слои атмосферы, делая ее слабее. Считается, что именно так потерял свою атмосферу Марс (есть некоторые возражения против такой теории, но сейчас мы не будем её оспаривать). Предлагается защитить Марс магнитным полем наподобие земного, тогда солнечный ветер будет обтекать Марс на расстоянии и атмосфера не будет эродировать. А поскольку поверхность планеты (горные породы, льды) «немного газит», она начнет постепенно расти, что нам и нужно.
Создание магнитного поля на самой планете, очевидно, выглядит достаточно затруднительной затеей: надо опутать всю планету проводами. Поэтому предложено разместить источник магнитного поля перед планетой в потоке солнечного ветра. Есть такая условная точка (точка либрации) на прямой, соединяющей планету и Солнце, где воздействие всех гравитационных сил сравнивается и космический аппарат как бы зависает (при минимальных затратах топлива), не уходя ни на межпланетную траекторию, ни на орбиту вокруг планеты. В околоземных точках либрации сейчас находятся несколько спутников, наблюдающих за солнечным ветром и несколько астрономических телескопов, так что эта часть проблемы вполне освоена. Магнитное поле, «надутое» немного «выше по течению» перед Марсом, как бы накроет планету.
К сожалению, проблем в этой идее видно сразу же больше, чем преимуществ. Во-первых, важна не величина магнитного поля сама по себе, но и размер зоны, занимаемый полем, у планет эта зона называется магнитосферой. Чтобы создать магнитное поле, равное земному, в одной точке достаточно и школьного магнита, но чтобы создать магнитосферу Земли, нужно что-то гораздо большее. Физическая характеристика, определяющая размер магнитосферы, называется магнитным моментом. Он равен силе тока в витке провода, умноженной на площадь витка. У Земли она равна почти десять в 23-й степени Ампер на кв.м. Предлагаю каждому, владеющему элементарной геометрией и законом Ома, посчитать какой провод и какой ток будут нужны, чтобы воспроизвести магнитосферу. Остальным сообщим, что это совершенно недостижимо — от слова «совсем».
Во-вторых, и потери атмосферы под воздействием солнечного ветра, и ее восстановление естественным путем — это процессы, протекающие на «геологических» временах в миллионы и миллиарды лет. Нам это точно не подойдет, а никаких оснований ожидать «экспресс-обслуживания» нет.
В целом, это сообщение НАСА — скорее тщательно просчитанная пиар-акция, в деталях средний гражданин разбираться не будет, а невольное уважению к величию НАСА останется. Что же до существа вопроса, то для того, чтобы начать терраформирование Марса, уж точно придется подождать до появления «фотонных двигателей» или «подпространственных туннелей». Мое мнение — в то время Марс нам будет уже не слишком интересен, разве что в смысле ностальгического тура на родину Аэлиты.
Марс и магнитосфера. Планета, которую можно отремонтировать
Тема терраформирования Марса не один десяток лет относится к числу наиболее амбициозных планов человечества. Кажется, что марсианскую природу достаточно лишь немного «подправить», чтобы холодная планета бурь превратилась в жизнепригодный мир, расположенный в непосредственной близости от Земли.
Наряду с первоочередными задачами по увеличению концентрации кислорода и повышению температуры на Марсе требует решения еще одна проблема: восстановление марсианской магнитосферы. Дело в том, что на Марсе нет стабильного планетарного магнитного поля, хотя, остаточные магнитные поля на планете сохранились, особенно в южной части. Вопрос фатального влияния солнечного ветра на размагниченную планету подробно рассмотрен в научно-популярных источниках, в том числе, на Хабре. Поэтому читатели, уже интересовавшиеся проблемой марсианской магнитосферы, вполне могут пропустить обзор, расположенный прямо под катом, и переходить к самому интересному, в особенности, к инженерной части.
Обзор. Другая сторона солнечного ветра
Подходы к терраформированию Марса (приближению условий окружающей среды на нем к земным) постепенно детализируются и представляются все менее разрушительными и более «зелеными». В частности, Илон Маск, еще в 2015 году продвигавший идею о термоядерной бомбардировке Марса с целью вызвать на нем парниковый эффект, в 2019 году предлагал растопить марсианские льды при помощи системы орбитальных зеркал. Развивая эту идею, Роберт Зубрин и Кристофер Маккей рассуждали о 100-километровом цельном орбитальном зеркале. Тем не менее, сегодня считается, что даже всего льда с марсианских полярных шапок может не хватить для вызова парникового эффекта. Пытаясь поднять температуру на Марсе такими грубыми способами, мы бы боролись со следствиями, а не с причиной экологической катастрофы на этой планете. Причина продолжающегося истончения марсианской атмосферы заключается в выдувании ее солнечным ветром, а такая уязвимость атмосферы объясняется отсутствием у Марса постоянного магнитного поля. В далеком прошлом, 4,2-4,3 миллиарда лет назад Марс должен был обладать сильным магнитным полем, а последний период активного действия магнитосферы на Марсе относится, вероятно, к 3,7 миллиарда лет назад.
Наличие сильного магнитного поля у Земли объясняется действием токов (динамо) в жидком металлическом железоникелевом ядре планеты. Магнитное поле образует вокруг планеты так называемую «головную ударную волну», подобную той волне, что расходится от носовой части движущегося корабля, из-за чего солнечный ветер обтекает нашу планету с боков, не повреждая атмосферу.
Из-за того, что в период образования крупных марсианских равнин магнитное поле выключилось, атмосфера Марса оказалась беззащитна, и постепенно превратилась в тонкий слой углекислого газа с незначительными примесями, наблюдаемый сейчас.
О причинах исчезновения токов-динамо и постоянного магнитного поля на Марсе нет единого мнения. Среди возможных вариантов — исчезновение условий для конвекции жидкого металла в ядре, вызванное чрезмерным охлаждением планеты. Также затухание динамо могло быть вызвано внешним воздействием, например, ударом астероида – эта гипотеза называется «импактной». Интереснейший анализ подобных гипотез содержится в статье Виталия Егорова (Зеленого Кота) «Нужно ли Марсу магнитное поле?», опубликованной на Хабре в 2015 году. Автор развивает идею о том, что потеря магнитного поля не является решающим фактором потери атмосферы, приводя в качестве контрдовода пример Венеры, чья атмосфера исключительно плотная, а магнитное поле — слабое. Потеря глобального магнитного поля на Марсе связана с малой массой планеты, либо с совокупностью воздействия солнечного ветра, импактных (ударных) и гидрофизических факторов. Рекомендуем подробно ознакомиться с этой статьей, а здесь приведем лишь важнейшую из ее иллюстраций, где в табличном виде представлены возможные причины исчезновения или истончения атмосфер у различных тел в Солнечной Системе.
Магнитосфера Марса. Нынешнее состояние
Чтобы изучить, почему Марс потерял свою атмосферу и продолжает ее терять, в 2014 году NASA запустило к Марсу зонд MAVEN (аббревиатура расшифровывается как «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе»). Отметим, что аппарат, запущенный 18 ноября 2013 года, чуть не попал под сокращение финансирования, из-за чего запуск мог быть отложен на 2016 год. Тем не менее, в сентябре 2014 года MAVEN успешно достиг Марса и стал его искусственным спутником. Четыре основные задачи проекта формулировались следующим образом:
Определить влияние потерь газов на климатические изменения Марса в настоящее время и в прошлом.
Определить текущее состояние верхних слоев атмосферы и ионосферы Марса и взаимодействия их с солнечным ветром.
Определить темпы потери атмосферы, а также факторы, влияющие на этот процесс.
Определить соотношения стабильных изотопов в атмосфере Марса.
Именно MAVEN показал, что остатки магнитного поля Марса вытянулись за планетой, образовав у нее своеобразный магнитный хвост. Само это открытие особенно интересно тем, что позволило подтвердить и детально описать механизм магнитного пересоединения Марса, непосредственно провоцирующий улетучивание остатков марсианской атмосферы в космос. В целом же MAVEN дал толчок новейшим исследованиям собственного магнитного поля на Марсе.
Реликтовое магнитное поле на Марсе
После того, как на Марсе исчезло глобальное магнитное поле, планета осталась покрыта «лоскутным одеялом» локальных областей, проявляющих магнитные свойства. Эти небольшие магнитные поля возникают под действием минералов и пород, рассеянных на поверхности планеты.
Некоторые регионы планеты обладают более сильными магнитными полями, нежели другие, но это, вероятнее всего, связано с повышенным или пониженным содержанием магнитных минералов в том или ином регионе, то есть, пород, которые могли испытывать влияние древнего магнитного поля. В целом магнитные поля в северном полушарии Марса слабее, а в южном – сильнее.
Три крупных ударных бассейна в северном полушарии Марса — Эллада, Исида и Аргир — не проявляют признаков магнетизма, что также может объясняться малым содержанием магнитных пород на этих территориях. Предполагается, что в процессе ударных катаклизмов и образования этих бассейнов значительные объемы магнитных пород и содержащихся в них минералов могли быть испарены в результате столкновений и сопутствующих взрывов. При этом необходимо оговориться, что измерения магнитных полей марсианской коры производятся с орбиты, поэтому могут быть неполны; экспедиции на поверхности планеты, возможно, позволят зафиксировать более слабые магнитные поля и составить более полную карту.
Итак, магнитосфера марсианских горных пород представляет собой остатки древнего магнитного поля. Магнитное динамо в мантии Марса исчезло не позднее 3,7 миллиарда лет назад. Подробнее о хронологии существования марсианского динамо рассказано в этой статье. Впрочем, здесь следует упомянуть и о роботе InSight, который начал работу на поверхности Марса в ноябре 2018 года. Аппарат предназначен, прежде всего, для изучения толщины, состава и структуры коры Марса, а также получения данных о его мантии, ядре и сейсмической активности. Именно InSight показал, что магнитные поля на поверхности Марса вдесятеро сильнее, чем считалось ранее. Он обнаружил и некоторые другие интересные детали, в частности, суточные флуктуации активности марсианского магнитного поля и магнитные импульсы, чья природа пока остается невыясненной. Считается, что зафиксированные InSight магнитные явления на поверхности планеты также связаны с воздействием солнечного ветра.
Поэтому гораздо более пристального внимания заслуживает индуцированная магнитосфера Марса, возникающая в результате взаимодействия марсианской ионосферы с солнечным ветром. О существовании магнитных полей в непосредственной близости от верхних слоев марсианской атмосферы сообщалось еще в статье Долгинова и др., опубликованной в 1972 году по результатам экспедиций «Марс-2» и «Марс-3». Дальнейшие исследования магнитослоя в марсианской ионосфере были проведены при помощи последней советской марсианской миссии «Фобос-2» Но значительно более точные данные об этом магнитослое (в англоязычной литературе употребляется термин «magnetosheath») были получены благодаря работе MAVEN и изложены в статье Робина Рамстада и др. из университета штата Колорадо.
Индуцированные магнитосферы образуются вокруг проводящих ненамагниченных планетарных объектов, в частности, в ионосферах Марса, Венеры, Титана, Плутона и комет в ходе электродинамических взаимодействий намагниченной плазмы с частицами солнечного ветра. Токи, возникающие при этом, приводят к взаимодействию ионосферы и плазмы, тем самым помогая понять роль солнечного ветра в нагревании, выдувании и эволюции планетарных атмосфер.
По итогам пятилетней работы зонда MAVEN удалось картировать индуцированную магнитосферу Марса, обнаружив в процессе этой работы взаимодействие ионосферы и головной ударной волны, асимметрию в конфигурации атмосферных электрических полей, а также искривление токов в верхних слоях атмосферы Марса. Также был обнаружен пограничный регион между ионосферой Марса и его магнитослоем.
Соответственно, восстановление защиты Марса от пагубного воздействия солнечного ветра целесообразно начинать именно с ионосферы. В 2017 году специалист NASA Джим Грин предположил, что для реставрации марсианской атмосферы и предохранения ее от воздействия солнечного ветра можно расположить магнитный щит на марсианской орбите в точке Лагранжа, где притяжение Марса и притяжение Солнца имеют равную величину и, следовательно, такой щит будет оставаться стабилен. На Хабре есть обзорная переводная статья с обоснованием этого проекта и видео с выступлением Грина на конференции Planetary Science Vision 2050, где была высказана эта идея. Из статьи стоит скопировать и пояснить ключевую иллюстрацию:
На иллюстрации показана форма магнитного хвоста (остатки магнитного поля Марса, взаимодействующие с солнечным ветром, о чем было рассказано выше), а также расположение самого Марса, магнитного щита в точке Лагранжа L1, магнитослоя и магнитопаузы. Как показано на этой схеме, магнитный щит Марса призван уменьшить выдувание атмосферы солнечным ветром, обеспечить новое равновесное состояние атмосферы и уменьшить количество жесткой солнечной радиации, достигающей поверхности Марса.
На сайте phys.org сообщается, что Джим Грин и его коллеги проводили компьютерные симуляции, позволяющие примерно оценить работоспособность такого устройства. Грин заостряет внимание на непосредственной пользе подобной конструкции. Магнитный щит способен привести к утолщению марсианской атмосферы и парниковому эффекту, который позволит перевести в жидкое состояние до 1/7 того объема воды, что имелся на Марсе 4,2 миллиарда лет назад, в период активности его магнитного динамо. Тем не менее, официальные данные о технических характеристиках подобного устройства весьма скудны. На Хабре есть публикация с описанием конструкции и реализуемости дипольного магнитного щита, который мог бы располагаться в точке Лагранжа и генерировать магнитное поле силой 1-2 тесла. Поэтому в заключительном разделе этой статьи было бы логично и интересно привести выдержки из статьи «Giving Mars a Magnetosphere», опубликованной 28 февраля 2018 года и содержащей обоснованные выкладки о том, как мог бы выглядеть подобный щит.
Искусственный магнитный щит Марса: технические характеристики
Марсианская точка Лагранжа расположена на расстоянии около 1 миллиона километров от Марса. С поправкой на компенсацию сильных солнечных вспышек можно предположить, что будет достаточно расширить искусственное магнитное поле на расстояние 1,5 млн километров от планеты.
Также следует учитывать, что интенсивность солнечного ветра на марсианской орбите значительно ниже, чем на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (т.е. на расстоянии от Солнца до Земли). Таким образом, для защиты Марса от солнечного ветра достаточно получить магнитное поле примерно вдвое слабее, чем понадобилось бы для защиты Земли. Учитывая оба этих фактора, понадобится сгенерировать вокруг Марса магнитное поле всего в 11% от силы естественного магнитного поля Земли, и минимальный радиус магнитослоя вокруг Марса составил бы всего 500 000 километров.
Согласно уравнению величины магнитного поля, можно высчитать силу тока «провода», необходимого для генерации такого магнитного поля. Получается ток силой около 200 мега-ампер.
Соответственно, это будет провод колоссального размера. Чтобы сделать его как можно компактнее, необходимо как можно сильнее уменьшить рабочее напряжение этого провода и, следовательно, его сопротивление. Чтобы добиться минимального сопротивления, нужно подобрать минимальную длину провода, при этом обеспечив для него максимальную площадь поперечного сечения. Отметим, что сопротивление проводника можно было бы снизить, изготовив его из сверхпроводящего материала, но технически наиболее доступной конфигурацией представляется плоская медная катушка, намотанная настолько плотно, что отверстие в ее центре будет как можно уже. При этом отверстие в центре катушки необходимо оставить, так как при его отсутствии в катушке возникнут контрпродуктивные обратные токи, и ее сопротивление будет чрезмерно сильным.
Дальнейшие выкладки из упомянутой статьи выходят за рамки данной публикации, но ее все-таки будет интересно прочесть целиком – в частности, чтобы познакомиться с ориентировочными характеристиками космического корабля, необходимого для реализации всего проекта.
Итак, генерация искусственного магнитного поля для Марса представляется несравнимо более осуществимой задачей, чем восстановление естественного. Кроме того, это был бы значительно более щадящий и эффективный (в долгосрочной перспективе) метод терраформирования, чем термоядерная бомбардировка или развертывание орбитальных зеркал, предложенные Илоном Маском. Остается с интересом следить, возможна ли при в обозримом будущем практическая реализация подобных планов.
