Новая надежда для Красной планеты: как аэрозоли могут изменить климат Марса

Группа исследователей под руководством Марка Ричардсона из компании Aeolis Research (США) при участии коллег из Великобритании и Бразилии провела первое трехмерное моделирование выброса инфракрасно-активных аэрозолей в атмосферу Марса с учетом динамического поведения частиц. Они обнаружили, что радиационно-динамические обратные связи, возникающие при использовании графеновых дисков или алюминиевых стержней, позволяют достичь глобального насыщения атмосферы частицами менее чем за 4 марсианских года. Согласно их модели, при непрерывном выбросе аэрозолей средняя глобальная температура поверхности Марса может повыситься на величину, достаточную для появления сезонной жидкой воды, причем временной масштаб реакции климата практически не зависит от интенсивности выброса. 

Дискуссия о будущем человечества на Марсе всегда упирается в суровые реалии его климата. Средняя температура поверхности здесь составляет около минус 55 градусов Цельсия, атмосфера крайне разрежена и состоит преимущественно из углекислого газа, а жидкая вода не может существовать в стабильном состоянии. Чтобы сделать планету пригодной для колонизации, необходимо повысить температуру более чем на 30 градусов Цельсия — только тогда в теплые сезоны на поверхности сможет появляться талая вода.

Долгое время эта задача казалась практически невыполнимой. Предложения, включая знаменитую идею ядерных взрывов над полярными шапками, подвергались критике из-за недостаточной эффективности. Однако новая работа международной группы ученых, опубликованная в журнале Geophysical Research Letters, предлагает иной подход, основанный на использовании инженерных аэрозолей и их взаимодействии с атмосферной динамикой.

В отличие от предыдущих исследований, которые предполагали статическое распределение частиц, команда под руководством Марка И. Ричардсона из компании Aeolis Research использовала глобальную климатическую модель MarsWRF с возможностью отслеживания шлейфов. Это позволило впервые учесть так называемые радиационно-динамические обратные связи — процесс, при котором сами частицы изменяют атмосферную циркуляцию, а измененная циркуляция, в свою очередь, влияет на распространение частиц.

Ключевой особенностью этих материалов является их способность гораздо сильнее взаимодействовать с тепловым инфракрасным излучением, исходящим от поверхности планеты, чем с солнечным светом. Это свойство позволяет им удерживать тепло в приповерхностных слоях, действуя как искусственное одеяло. Моделирование показало, что единый непрерывный источник таких аэрозолей способен насытить атмосферу по всему миру менее чем за четыре марсианских года. Причем временной масштаб выхода на стационарный режим, как выяснилось, составляет примерно 1,1 марсианского года и практически не зависит от того, выбрасывается ли 3 литра частиц в секунду или 60 литров. Система демонстрирует внутреннюю устойчивость: достигнув равновесия, распределение частиц характеризуется лишь незначительным локальным максимумом в районе источника, ширина которого составляет всего 15 градусов по долготе.

Одним из наиболее важных открытий стало выявление мощных обратных связей, усиливающих эффект потепления. Выброшенные частицы продемонстрировали эффект само-подъема (self-lofting), который позволяет им подниматься выше и быстрее распространяться за пределы приграничного слоя планеты. Это запускает цепную реакцию: нагрев атмосферы приводит к усилению ячеек Хэдли — глобальных атмосферных циркуляций, которые переносят тепло от экватора к полюсам. Согласно расчетам, эти ячейки усиливаются в четыре раза по сравнению с их естественным состоянием, а сезонная асимметрия циркуляции практически исчезает.

В результате скорость приземных ветров возрастает на 60 процентов в глобальном и среднегодовом исчислении, что способствует еще более эффективному перемешиванию аэрозолей. Интересно, что это отличает марсианский сценарий от земного: если на Земле парниковый эффект обычно ослабляет циркуляцию атмосферы, то на Марсе наблюдается противоположный эффект.

Что касается временных рамок, модель дает обнадеживающие результаты. Примерно через 8 марсианских лет (что соответствует 15 земным годам) непрерывной работы источника средняя температура в теплый сезон в южном полушарии, где сосредоточены основные запасы подповерхностного льда, превышает 280 градусов Кельвина (около плюс 7 градусов Цельсия).

Этого достаточно для того, чтобы в приповерхностном слое начала появляться стабильная жидкая вода. При этом система остается обратимой: если прекратить выброс аэрозолей непосредственно перед фазой резкого потепления, атмосфера вернется к исходным температурным показателям примерно за четыре марсианских года, что указывает на возможность контроля над процессом.

Авторы исследования, однако, подчеркивают, что их работа является лишь первым шагом и оставляет множество открытых вопросов, которые предстоит решить будущим исследователям. В текущей модели не учитывается агломерация (слипание) частиц, что в реальных условиях может приводить к их укрупнению и более быстрому выпадению на поверхность. Остается неопределенной скорость сухого осаждения, а также отсутствует моделирование водного цикла. Последнее особенно важно, поскольку водяной пар сам является мощным парниковым газом и может создать положительную обратную связь, усиливающую потепление. Однако водяной пар также может способствовать образованию облаков, которые станут выводить аэрозоли из атмосферы. Кроме того, использованные в модели частицы не были оптимизированы для максимального нагрева — они представляют собой лишь реалистичный сценарий, а не теоретический предел возможностей технологии.

В итоге ученые впервые продемонстрировали с помощью трехмерного моделирования, что выброс инфракрасно-активных аэрозолей может стать реалистичным методом избирательного нагрева Марса. Благодаря радиационно-динамическим обратным связям, единый источник аэрозолей способен создать условия для существования жидкой воды в приповерхностном слое за временной промежуток от 8 до 15 марсианских лет. Ключевым выводом работы является то, что временной масштаб климатического ответа практически не зависит от интенсивности выброса, а достигнутое состояние оказывается управляемым и обратимым. Хотя остаются нерешенными вопросы, связанные с агломерацией частиц и взаимодействием с водным циклом, данное исследование предоставляет первый реалистичный базовый сценарий для дальнейшего обсуждения инженерного терраформирования Марса.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях