A Mars terraformálásának problematikája planetológiai szempontokból

Szerző: Balogh Gábor

A túlnépesedés, valamint a kitermelhető nyersanyagok, energiahordozók kimerülése már régóta foglalkoztatja az emberiséget. A tudományos-fantasztikus irodalomban, de még a tudományos fórumokon is hamar megjelent más bolygók, elsősorban a Mars földiesítésének (terraformálásának) gondolata. Vajon van-e realitása ennek az ötletnek?

A Mars a Földhöz leginkább hasonló bolygó a Naprendszerben. Mivel a Naprendszer lakható zónájában található (1, 2), megfelelő naptávolságban van ahhoz, hogy elvileg felszíni életet hordozhasson. Az 1976-ban leszálló Viking űrszondák (3) nem találtak bizonyítékot arra, hogy a Marson létezik az élet, de a remény megmaradt: lehetséges lenne bolygómérnöki módszerekkel úgy módosítani a marsi környezetet, hogy földi élőlények élhessenek ott?

Különböző csillagok körüli lakhatósági zóna, köztük Naprendszerünké
Forrás: Chester Harman – Wikipedia; CC BY-SA 4.0

Mars

A Mars 1,5 Csillagászati Egység távolságban kering a Nap körül, tehát másfélszer olyan messze attól, mint Földünk. Tömege a Földének tizede, felszíni gravitációja harmada. A napok hossza hasonló, 1,02 földi nap, egy marsi év 2,13 földi évnek felel meg, tehát az évszakok kétszer olyan hosszúak, mint bolygónkon. A leghidegebb mért hőmérséklet −143 °C, a legmagasabb 35 °C (4, 5). A felszíni nyomás nagyon alacsony és változó, 0,4–0,87 kPa, ez átlagban 0,636 kPa, ami 0,00628 atmoszféra nyomásnak felel meg.

A vörös bolygót nemcsak Földhöz való hasonlósága teszi első számú jelöltté a földiesítésre, hanem geológiai múltja is. Noha a Marson ma a kevés víz főleg felszín alatti jég (6), kevés pára (7), és még ritkábban sókkal túltelített víz, „brine” található (8, 9) – ám a múltban, mintegy 3,8 milliárd évvel ezelőtt a bolygó sűrűbb atmoszférával rendelkezett (10), mely lehetővé tette a folyékony víz létezését a felszínen. Naptól való nagy távolsága miatti alacsony hőmérsékletet a légkör széndioxid-tartalma által generált üvegházhatás kiegyenlítette. Az északi Vastitas Borealis medencét víz borította, mely a bolygó harmadát fedte be (11, 12).

A Mars topografikus térképe. Északon látható a Vastitas Borealis medence
Forrás: NASA/JPL/USGS

Légköre nagy részét azonban elvesztette a vörös bolygó. Egy része a talajban kötődött meg karbonátok formájában (13), nagy részét pedig a napszél „fújta le” a Marsról magnetoszféra hiányában (14). A vastag légkör által nyújtott elegendő nyomás hiányában pedig a marsi óceánok sorsa is megpecsételődött. A víz egy része megfagyott, majd később kőzetrétegekkel és porral betemetődött, egy része pedig szublimált a marsi atmoszférába, végül onnan is eltűnt. A marsi porviharok által magasba ragadott vízmolekulákat az UV sugárzás lebontotta (15).

A marsi talaj enyhén lúgos kémhatású, és noha ásványi összetétele megfelelő lenne akár növénytermesztéshez is, 0,6 százalékban perklorátot tartalmaz, mely meggátolna mindenféle nővényi és állati életet.

Planetológiai előzmények

A múltbeli víz geológiai bizonyítékai közé tartoznak az árvizek által vájt hatalmas csatornák (16), ősi folyóvölgyi hálózatok (17, 18), folyódelták, és tómedrek (19), valamint a felszínen észlelt olyan kőzetek és ásványok, amelyek csak folyékony vízben keletkezhettek (20). Számos felszíni forma utal jég (permafrost) jelenlétére, valamint a jég mozgására a gleccserekben (21).

A kora Noachi korban (4,6-4,1 milliárd éve) az elsődleges légkör mintegy 60% semmisült meg az impakt események által. Ebből a korszakból származnak a marsi filloszilikátok, melyek a folyékony víz, és ezzel együtt a vastag atmoszféra bizonyítékai. A középső és késő Noachi korszakban (4,1-3,8 milliárd éve) alakult ki a vörös bolygó másodlagos atmoszférája, amiért a marsi vulkanizmus felelt, főként a Tharsis tűzhányói. A légkörbe hatalmas mennyiségű H2O, CO2, and SO2 került (22). Ebben a korszakban alakultak ki a marsi folyóhálózatok, és voltak rendszeresek a globális katasztrofális áradások is. E korszak végén szűnt meg a Mars mágneses mezeje.

A Hesperiumi és az Amazóniai korszakokban (3,8 milliárd évtől a jelenkorig) még jelen voltak a globális áradások, vulkáni gázkibocsájtások, de ezt a korszakot leginkább a marsfelszín lassú oxidációja jellemezte. Ez az oxidáció azonban már nem a szabad oxigénhez, hanem a Marson jelenlevő hidrogén-peroxid jelenlétéhez köthető (23).

Nemcsak a marsi mágneses tér megszűnése, valamint az ebből adódó atmoszféra és hidroszféra elvesztése, hanem egy nagy marsi hold hiánya is szempontunkból végzetes. Miközben Földünk tengelye többé-kevésbé stabilizált Holdunk gravitációja miatt, a Mars tengelye – mely pillanatnyilag 25° – ingadozik 0° és 60° között. Nagy tengelydőlés esetén a sarki jég vándorolni kezd alacsonyabb szélességekre, létrehozva a marsi jégkorszakokat (24). Az utóbbi ötmillió évben 40 nagyobb jégátrendeződés volt a Marson.

A Mars terraformálása

A Mars gyarmatosításának, majd terraformálásának okai közé tartozik a kutatás, gazdasági érdeklődés az erőforrásai iránt, és különösen annak lehetősége, hogy más bolygók betelepedése csökkentheti az emberiség kihalásának valószínűségét.

A Mars terraformálása, egy művészi koncepción
Forrás: Ittiz – Wikipedia; CC BY-SA 3.0

Jelenleg a Mars természetesen nem alkalmas arra, hogy életet hordozzon. Még egy terraformálás nélküli, a környezettől elzárt mars-bázisokon történő megtelepedés, sőt, maga az út is végtelenül nehéz és veszélyes: egy Marsra vezető út során 500 – 1000 mSv sugárzási dózis (25) érne egy űrhajóst (összehasonlításul: egy mellkas-röntgen során 0,1 mSv dózist kapunk). Ilyen nagy dózisnak természetesen számtalan egészségre káros hatása van (26).

A Marsi telepesekre váró legfontosabb környezeti hatások

  • kevés fény – a Földinek 60%-a (27).
  • alacsony gravitáció – a Földinek 38%-a, mely izomvesztéssel és a csontok meszesedésével jár (28).
  • belélegezhetetlen atmoszféra – 96% széndioxid.
  • alacsony légköri nyomás – 0,636 kPa, bőven az Armstrong-határon túl, ahol a testnedveink már forrnak. Ez a Földön 19 km magasságban van.
  • mágneses tér hiányában ionizáló sugárzás a felszínen (29).
  • alacsony felszíni hőmérséklet, átlagban −63 °C.
  • globális porviharok
  • perklorátok a talajban (30).

Beláthatjuk, hogy a marsi környezetben gyakorlatilag hasonló technikai helyzetben lennénk, mint akár a Holdon. Megfelelő védelem (űrruha, környezettől elzárt telepek) nélkül ugyanúgy lehetetlen az életben maradás. De vajon van reális esélye a Mars terraformálásának?

Tervek a terraformálásra

Az első lépés az atmoszféra megnövelése lenne, mely lehetővé tenné a folyékony víz létezését a felszínen. Mivel a légkör főleg széndioxidból áll, az üvegházhatás egyben meg is emelné a hőmérsékletet. Hogy ezt elérjék, jeges planetezimálokat, üstökösöket zuhantatnának a Marsra. A hozott jég, széndioxid, ammónia egyaránt hozzájárulna az atmoszféra növelésére, gazdagítva azt olyan anyagokkal, melyek segítenének a hőmérséklet növeléséhez is. Az ammónia például a Marson órák alatt lebomlik nitrogénné és hidrogénné, mely később elillan az űrbe. A nehezebb nitrogén megmaradna, később fontos része lenne a megváltozott atmoszférának. A jeges planetezimálok sok szerves anyagot is hoznának, melynek elengedhetetlen szerepe lenne a későbbi biomassza kialakításához (31, 32).

Egyéb tervek között szerepelne a napfény hatalmas tükrökkel való marsfelszínre irányítása (31), esetleg a felszíni albedo csökkentése, mely több nagyfényt nyelne el, ezáltal felmelegedne a felszín.

Ha sikerülnének is ezek a tervek, nem járnának hosszú távú haszonnal, hiszen a múltban már volt a Marsnak vastag atmoszférája, felszíni óceánja. Kellő mágneses tér hiányában azonban a létrehozott vastag atmoszféra és az óceán is ismét elszöknének a vörös bolygóról. A Mars viszont képtelen mágneses teret produkálni, úgy, mint a Föld. Földünk folyékony külső magjában létrejövő áramlások által keltett dinamó-mechanizmus elképzelhetetlen a Marson (33). Mivelhogy nem tudjuk a vörös bolygó magját megváltoztatni, a terraformálás ilyen módokon megoldatlannak tűnik.

Mágneses védőpajzs az L1 ponton

A „Planetary Science Vision 2050 Workshop” keretében vetette fel Jim Green, a NASA tudósa azt az ötletet (34, 35), hogy a Nap és a Mars között lévő L1 ponton elhelyezett 1-2 tesla erősségű mágneses védőpajzs egy részleges védelmet kreálhat a vörös bolygó számára. A sarkokon szublimáló széndioxid melegíteni kezdené a légkört, az olvadó jég pedig ismét óceánt hozna létre. Számítások szerint néhány év alatt a Földi atmoszferikus nyomás felét is akár el lehetne érni a Marson. Úgy tűnik, hogy ez az ötlet az egyetlen reális terv a Mars terraformálására, ám ez rögtön felvet még egy problémát.

Mágneses védőpajzs terve az L1 ponton
Forrás: NASA/Jim Green

Az asztrobiológiai-etikai probléma

A Marsi felszín – ahogyan már láttuk az előzőekben – alkalmatlan az élet számára. De mélyen a talajban, ahol a nyomás lehetővé teszi a folyékony víz létét, esetleg akár pár méter mélyen, vulkáni utóműködési pontokon nem zárhatjuk ki a marsi élet lehetőségét (36). Amennyiben életet találunk a Marson – a marsi talajban – a vörös bolygó földi betelepítése, terraformálása lehetetlenné válna (37). A jelenleg is elfogadott Bolygóvédelmi vezérelv (Planetary Protection) célja, hogy küldetések esetén megakadályozza mind a célzott égitest szennyeződését, mind a Föld biológiai visszaszennyeződését (38). Az egyik cél az, hogy megőrizzük a Mars érintetlen természetét, a másik az, hogy ne hurcoljunk be olyan életformát a Földre, amelyik esetlegesen veszélyes lehet a földi életre. A fő hangsúly a mikroorganizmusokon és a potenciálisan invazív fajokon van, de érdekes módon a többsejtű életformák veszélyét (pl. zuzmókat) sem tartják teljesen kizártnak. Terraformálás előtt tehát mindenképpen meg kell győződnünk arról, hogy a Mars nem hordoz életet.


Források:

  1. Summary of the Limits of the New Habitable Zone, http://phl.upr.edu/library/notes/summarylimitsofthenewhabitablezone
  2. Nowack, Robert L. “Estimated Habitable Zone for the Solar System”. Department of Earth and Atmospheric Sciences at Purdue University
  3. Viking Mission to Mars, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/viking.html
  4. What is the Typical Temperature on Mars? http://www.astronomycafe.net/FAQs/q2681x.html
  5. Extreme Planet Takes Its Toll, https://web.archive.org/web/20131102112312/http://marsrover.nasa.gov/spotlight/20070612.html
  6. Mars Ice Deposit Holds as Much Water as Lake Superior, https://www.jpl.nasa.gov/news/mars-ice-deposit-holds-as-much-water-as-lake-superior
  7. Scientists detect water vapour emanating from Mars, https://phys.org/news/2021-02-scientists-vapour-emanating-mars.html
  8. Martín-Torres, F. Javier; Zorzano, María-Paz; Valentín-Serrano, Patricia; Harri, Ari-Matti; Genzer, Maria. “Transient liquid water and water activity at Gale crater on Mars”. Nature Geoscience. 8 (5): 357–361.
  9. Ojha, L.; Wilhelm, M. B.; Murchie, S. L.; McEwen, A. S.; Wray, J. J.; Hanley, J.; Massé, M.; Chojnacki, M. “Spectral evidence for hydrated salts in recurring slope lineae on Mars”. Nature Geoscience. 8 (11): 829–832.
  10. Carr, Michael H (1999). “Retention of an atmosphere on early Mars”. Journal of Geophysical Research. 104 (E9): 21897–21909.
  11. Baker, V. R.; Strom, R. G.; Gulick, V. C.; Kargel, J. S.; Komatsu, G.; Kale, V. S. “Ancient oceans, ice sheets and the hydrological cycle on Mars”. Nature. 352 (6336): 589–594.
  12. Read, Peter L. and S. R. Lewis, “The Martian Climate Revisited: Atmosphere and Environment of a Desert Planet”, Praxis, Chichester, UK, 2004.
  13. Carr, Michael H (1999). “Retention of an atmosphere on early Mars”. Journal of Geophysical Research. 104 (E9): 21897–21909, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/1999JE001048
  14. Kass, D. M.; Yung, Y. L. (1995). “Loss of atmosphere from Mars due to solar wind-induced sputtering”. Science. 268 (5211): 697–699, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1995Sci…268..697K
  15. Massive dust storms are robbing Mars of its water, https://www.sciencenews.org/article/mars-dust-storms-water?mode=topic&context=36
  16. Regional, Not Global, Processes Led to Huge Martian Floods. Planetary Science Institute. SpaceRef, http://spaceref.com/mars/regional-not-global-processes-led-to-huge-martian-floods.html
  17. Harrison, K; Grimm, R. (2005). “Groundwater-controlled valley networks and the decline of surface runoff on early Mars”. Journal of Geophysical Research. 110 (E12): E12S16, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2005JE002455
  18. Howard, A.; Moore, Jeffrey M.; Irwin, Rossman P. (2005). “An intense terminal epoch of widespread fluvial activity on early Mars: 1. Valley network incision and associated deposits”. Journal of Geophysical Research. 110 (E12): E12S14. , https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2005JE002459
  19. Weitz, C.; Parker, T. (2000). “New evidence that the Valles Marineris interior deposits formed in standing bodies of water” (PDF). Lunar and Planetary Science. XXXI: 1693., https://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2000/pdf/1693.pdf
  20. New Signs That Ancient Mars Was Wet. Space.com, https://www.space.com/6033-signs-ancient-mars-wet.html
  21. Head, J.; Marchant, D. (2006). “Evidence for global-scale northern mid-latitude glaciation in the Amazonian period of Mars: Debris-covered glacial and valley glacial deposits in the 30 – 50 N latitude band (abstract)”. Lunar Planet. Sci. 37: 1127.
  22. Jakosky, B. M.; Phillips, R. J. (2001). “Mars’ volatile and climate history”. Nature. 412 (6843): 237–244. https://www.nature.com/articles/35084184
  23. Chevrier, V.; et al. (2006). “Iron weathering products in a CO2+(H2O or H2O2) atmosphere: Implications for weathering processes on the surface of Mars”. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70 (16): 4295–4317.
  24. Forget, F.; et al. (2006). “Formation of Glaciers on Mars by Atmospheric Precipitation at High Obliquity”. Science. 311 (5759): 368–71.
  25. R.A. Mewaldt; et al. (3 August 2005). “The Cosmic Ray Radiation Dose in Interplanetary Space – Present Day and Worst-Case Evaluations” (PDF). International Cosmic Ray Conference. 29th International Cosmic Ray Conference Pune (2005) 00, 101-104. 2: 103.
  26. Staff (29 October 2015). “NASA’s Efforts to Manage Health and Human Performance Risks for Space Exploration (IG-16-003), https://oig.nasa.gov/audits/reports/FY16/IG-16-003.pdf
  27. Sunlight on Mars – Is There Enough Light on Mars to Grow Tomatoes?. https://www.firsttheseedfoundation.org/resource/tomatosphere/background/sunlight-mars-enough-light-mars-grow-tomatoes/
  28. The Strange, Deadly Effects Mars Would Have on Your Body, https://www.wired.com/2014/02/happens-body-mars/
  29. Gifford, Sheyna E. “Calculated Risks: How Radiation Rules Manned Mars Exploration”, https://www.space.com/24731-mars-radiation-curiosity-rover.html
  30. Daley, Jason (July 6, 2017). “Mars Surface May Be Too Toxic for Microbial Life – The combination of UV radiation and perchlorates common on Mars could be deadly for bacteria”. https://www.smithsonianmag.com/smart-news/mars-surface-may-be-toxic-bacteria-180963966/
  31. Robert M. Zubrin (Pioneer Astronautics), Christopher P. McKay. NASA Ames Research Center (c. 1993). “Technological Requirements for Terraforming Mars”, http://www.users.globalnet.co.uk/~mfogg/zubrin.htm
  32. Whitehouse, David (July 15, 2004). “Dr. David Whitehouse – Ammonia on Mars could mean life”, http://news.bbc.co.uk/2/hi/3896335.stm
  33. Mars’s core has been measured — and it’s surprisingly large, https://www.nature.com/articles/d41586-021-00696-7
  34. Nasa wants to put a giant magnetic shield around Mars so humans can live there, https://www.wired.co.uk/article/magnetic-shield-mars-habitable
  35. Policy, Pathways, Techniques, and Capabilities – from NASA Planetary Science: Vision 2050 (Talk: A Future Mars Environment for Science and Exploration). :1:36:00, https://livestream.com/viewnow/vision2050/videos/150701155
  36. Horváth, A.; Gánti, T.; Bérczi, Sz.; Gesztesi, A.; Szathmáry, E. (2002). “Morphological Analysis of the Dark Dune Spots on Mars: New Aspects in Biological Interpretation”. 33rd Annual Lunar and Planetary Science Conference. 33: 1108.
  37. Committee on an Astrobiology Strategy for the Exploration of Mars; National Research Council (2007). “Planetary Protection for Mars Missions”. An Astrobiology Strategy for the Exploration of Mars. The National Academies Press. pp. 95–98. ISBN 978-0-309-10851-5.
  38. Tänczer, John D. Rummel; Ketskeméty, L.; Lévai, G. (1989). “Planetary protection policy overview and application to future missions”. Advances in Space Research. 9 (6): 181–184.