Терраформування Венери - немає нічого важче... і немає нічого легше!

( 8 Голосів, Всередньому: 5,00 із 5 )
П'ятниця, 29 липень 2011

тераформінг ВенериВенера — друга за відстанню від Сонця планета, майже такого ж розміру, як Земля. Іноді Венера підходить до Землі на відстань, меншу 40 млн. км, що робить її найближчою до Землі планетою. Більш того сила тяжіння на Венері майже дорівнює земній. Атмосфера Венери за складом схожа на первинну атмосферу Землі мільярди років тому. Більшість автоматичних станцій, які людство відправляє досліджувати зовнішні планети Сонячної системи, використовують гравітацію Венери для збільшення своєї швидкості. 

Ні в межах Сонячної системи, ні біля інших зірок людство не знайшло настільки близької до Землі за силою тяжіння і настільки привабливої для колонізації планети, як Венера. Але нажаль на цьому її привабливість закінчується.

Венера – характеристики

terraforming_venus_1

Наочне порівняння Венери та Землі

Хоча у Венери і Землі близькі розміри, середня густина й навіть внутрішня будова, проте Земля має досить сильне магнітне поле, а у Венери воно фактично відсутнє. Іоносфера планети пронизана локальними магнітними полями слабкої напруженості, що наводяться сонячним магнітним полем та сонячним вітром. Хоча сила тяжіння на Венері становить 91% від земної, густина атмосфери Венери в 35 разів більша за земну. Тиск на поверхні планети складає близько 95 атмосфер. Складається ця атмосфера, в основному, з вуглекислого газу з домішками азоту і кисню. Вуглекислий газ, пропускаючи сонячні промені, дозволяє поверхні нагріватися, але поглинає інфрачервоне випромінювання розігрітої поверхні, що є причиною парникового ефекту. Через це температура на поверхні Венери набагато вища за земну і становить в середньому 467°C, що навіть гарячіше ніж на Меркурії. На Венері майже немає води, так як пари води через відсутність сильного магнітного поля іонізуються та розпадаються, в результаті чого водень виноситься з планети сонячним вітром. Тому Венеру за її такі схожі і водночас несхожі з нашою планетою параметри іноді називають «кривим дзеркалом Землі.

Основні відмінності Венери від Землі

Венера Земля

Тривалість доби 

225 земних діб 24 год
Магнітне поле  немає 30-60 мкТл
Сила тяжіння  0,9 g 1 g
Атмосфера 

97% СО2 , 3% азоту,

1% пари води та інші гази

78,1 % — азот, 20 — кисень, 0,9 — аргон,

решта — вуглекислий газ, водяна пара,

водень, гелій, неон

Температуа 

467°C

15°C
Тиск  95 атм 1 атм

Що треба змінити для перетворення Венери на аналог Землі

Для того щоб перетворити Венеру на близнюка Землі, необхідно зробити наступні дії:

  • Знизити температуру
  • Знизити атмосферний тиск
  • Наситити атмосферу водою
  • Створити магнітне поле
  • Значно зменшити тривалість доби
  • Змінити склад атмосфери

Способів для вирішення цих проблем пропонується безліч. Так, наприклад, для зниження температури Венери пропонується встановити між нею та Сонцем величезний щит; для змінення складу атмосфери радять поселити в її атмосфері бактерії; для насичення атмосфери водою та зменшення тривалості доби хочуть бомбардувати Венеру кометами.

Проте, всі ці методи не вирішують основних питань, а саме:

  • Створення магнітного поля, яке б захищало атмосферу планети від осушення, а майбутніх колоністів від космічної радіації
  • Для значного зменшення тривалості доби Венеру довелося б бомбардувати безліччю комет на протязі сотень, а то й тисяч років

Вплив Місяця на Землю у минулому та сьогодні

Якщо ми прогулюючись вночі піднімемо очі до неба, ми помітимо ще одну відмінність нашої планети від Венери. Ця відмінність, яка сяє у зоряному небі наче маленьке сонце, зветься Місяць. «То й що?», - скажете ви: «Місяць як Місяць». Проте, вплив Місяця на нашу планету важко переоцінити. Гравітація Місяця спричиняє припливи та відливи в океанах, уповільнює швидкість обертання Землі, примушує кору нашої планети підніматись на 50 сантиметрів, розтягує та деформує її. Більш того, сила тяжіння нашого супутника впливає на ядро та мантію Землі, викликаючи, посилюючи та деформуючи магнітні поля. І це відбувається сьогодні.

Але більш цікавим є вплив Місяця на Землю в минулому. Вчені вважають, що 2 мільярди 965 мільйонів років тому Місяць був значно ближче до Землі ніж тепер. Тоді вплив гравітації нашого супутника на Землю був настільки потужним, що спричиняв деформування та розриви молодої земної кори, а це в свою чергу дало початок формуванню перших літосферних плит. Розриви земної кори призводили до більш швидкого охолодження мантії нашої планети, що спричиняло потужні конвективні потоки, а це є одним з основних критеріїв формування магнітного поля.

Якби у Венери був супутник

В Сонячній системі є дві планети земного типу: це Венера та Марс. Але магнітного диполя, яке присутнє на Землі, вони не мають. Крім того, лише земна літосфера розділена на літосферні плити. У Венери та Марса літосфери цільні, рифтові зони (зони розломів) слабо виражені.   

Давайте тепер уявимо, що відбувалося б із Венерою, якби у неї був супутник з такою ж масою як Місяць. Назвемо цей гіпотетичний супутник – Вулкан. Помістимо Вулкан на відстань 50 – 100 тис. км від Венери. Для порівняння, відстань між Землею та Місяцем складає 384 400 км (тобто у 3-6 разів більше). Згідно з ІІІ законом Кеплера, період обертання Вулкану навколо Венери також буде меншим (допустимо 10-16 діб). 

Наслідками такого близького сусідства була б деформація кори Венери, численні землетруси, виверження вулканів а також формування сильно виражених рифтових зон, подібних до земних. Швидке охолодження мантії Венери спричиняло б потужні конвективні потоки, а значить, був би досягнутий один із чинників формування магнітного поля… Це вам нічого не нагадує?

При наявності супутника «геологічна» еволюція Венери повністю продублює геологічну еволюцію Землі!

terraforming_venus_2

Мапи 15 основних рифтових зон Землі та невиразні рифтові зони Венери

Як це зробити:

Вибір супутника для Венери

На думку деяких вчених, на зорі свого існування Венера мала супутник, який потім зійшов з її орбіти та почав обертатись навколо Сонця, як самостійна планета. Зараз цю планету називають Меркурій. Виникає логічне питання, якщо Меркурій колись був супутником Венери, чому б йому не допомогти знову оселитись на її орбіті? Так, маса Меркурія більше за масу Місяця, цього більш ніж достатньо для потрібного впливу на геологічні процеси Венери. Проте, для створення придатних для існування життя умов, у Меркурія, як нашого універсального інструмента терраформування, відсутня одна важлива складова. На Меркурії бракує води.

терраформування Венери

Цієї крихітної кульки в горі вистачить 

для створення гідросфери на Венері

Кількість води, яка потрібна для створення прийнятної гідросфери на Венері становить більше 1016 тонн води.  Це майже у 100 тисяч раз більше за масу комети Галлея. Астероїд такої маси повинен мати діаметр 600 км, що в 6 разів менше за діаметр Місяця. Звідси висновок, претендент на місце Вулкану повинен по масі дорівнювати, або бути трохи більшим/меншим за Місяць (для достатнього гравітаційного впливу), та мати значні поклади води у вигляді льоду. Як не дивно, таких претендентів досить багато, і з кожним роком їх кількість зростає. Я маю на увазі трансплутонові планети. Діаметр одної з них, Кваоару (офіційне визначення 2002 LM60), становить 1250 км. І це не межа. Вчені впевнені, що в поясі Койпера обертаються значно масивніші об’єкти. Саме ця впевненість стала причиною зняття з Плутону статусу планети. Але знайти потрібне нам небесне тіло – це найлегша частина справи. Важче буде встановити його на орбіту Венери. Важко, але не неможливо.

Використання гравітаційних рогаток та гравітаційних тунелів для зміни траєкторії орбіти та швидкості супутника

5 грудня 1974 р. міжпланетний зонд Mariner 10 пролетів біля Венери на швидкості майже 30 тис. км/год, при цьому зробивши декілька знімків нашої сусідки. Але основною метою польоту було інше: ще сильніше розігнатися та підкоректувати траєкторію по напрямку до Меркурія. Це був перший в історії випадок, коли для надання апарату прискорення було використане гравітаційне поле планети.

гравітаційні тунелі
Гравітаційні тунелі Сонячної системи

Згодом такий метод отримав назву «гравітаційної рогатки». Його використовування значно розширило горизонт досліджень Сонячної системи. Пізніше, вченими були розраховані так звані гравітаційні тунелі. Це коридори створені в результаті складних взаємодій гравітаційних полів Сонця, планет Сонячної системи та їх супутників. Гравітаційні поля з’єднують так звані точки Лагранжа, в яких гравітаційні сили двох масивних об’єктів (будь то планети чи супутники) урівноважують одна одну, а значить, відсутня їх дія на космічний корабель. Потрапивши в подібний коридор космічний апарат рухається вздовж нього практично без спротиву. Рух по цих тунелях є найбільш економічним з точки зору розходу палива за рахунок здійснення мінімальної кількості маневрів – паливо потрібне лише для входу в гравітаційний коридор. Гравітаційні тунелі Сонячної системи

В нашому випадку на обраний нами планетоїд необхідно буде встановити двигун або кластер двигунів. Який тип двигуну вибрати, буде залежати від розвитку технологій на той час, коли наші нащадки відчують потребу терраформувати Венеру. Але ніяких фантастичних типів двигунів, працюючих на антиматерії чи то анамезоні я не пропоную. Обмежимось двома більш реальними типами двигунів:

  • Двигун, для роботи якого використовується реакція термоядерного синтезу. Таких двигунів ще не створено, але є всі підстави вважати що функціонуюча модель такого двигуна буде доступна вже в нашому столітті.
  • Плазмові двигуни типу VASIMR. Ці двигуни вже існують і чудово себе зарекомендували. Їх недоліком є в десятки разів менша потужність, ніж у звичайних хімічних двигунів. Але такі їх переваги як надзвичайна економічність та здатність працювати роками без зупинки робить їх дуже привабливими для нашого проекту.

В ідеалі краще використовувати двигуни, паливом для яких могли б служити поклади льоду на планетоїді.

Отже, з двигунами ми визначились. Тепер планетоїд необхідно стабілізувати. Справа в тому, що переважна більшість небесних тіл обертається навколо своєї вісі. Тому, для полегшення керування планетоїдом, його обертання навколо своєї вісі необхідно сповільнити, або в ідеалі взагалі зупинити. Це робиться за допомогою тих же встановлених двигунів. Взагалі, ніщо не заважає корегувати орбіту планетоїда, просто обертатись навколо своєї вісі він повинен якомога повільніше. Встановивши контроль над керуванням ми за допомогою двигунів направляємо наше небесне тіло в сторону найближчої планети-гіганта Сонячної системи (Нептун, Уран, Сатурн або Юпітер). Гравітаційні поля планети та Сонця будуть прискорювати наш планетоїд, нам залишиться лише корегувати траєкторію його польоту для максимального використання гравітаційних полів планет Сонячної системи.

Покриття поверхні планетоїда віддзеркалюючим шаром

Чим ближче буде знаходитись планетоїд до Сонця, тим більше він буде нагріватись. Це призведе до випаровування його льодової оболонки. Для того щоб знизити втрати льодового шару планетоїда, необхідно розпорошити по його поверхні матеріал з високим альбедо (здатністю відбивати випромінювання) та низькою теплопровідністю. Цей матеріал, при досягненні температур -50 – 0оС повинен розкладатись на більш легкі складові та випаровуватись, таким чином забираючи теплову енергію. Сучасна хімія дозволяє знайти матеріал з такими властивостями.

Гальмування планетоїда за допомогою Венери

При досягненні планетоїдом орбіти Венери може виявитись так, що його швидкість буде завеликою для обертання навколо неї. В такому разі траєкторію орбіти майбутнього супутника треба скерувати таким чином, щоб він один або декілька разів проходив перед Венерою. В такому разі гравітація Венери сповільнить планетоїд та дозволить перевести його на венеріанську орбіту. У свою чергу, велика маса планетоїду прискорить швидкість обертання Венери навколо Сонця, що дозволить вивести її на більш високу орбіту а значить, дозволить знизити температуру її поверхні! Вплив на орбітальну швидкість Венери залежатиме від маси небесного тіла, його швидкості та кількості проходжень перед Венерою.

Виведення супутника на низьку орбіту

Після сповільнення швидкості, Вулкан виводиться на низьку орбіту Венери. При цьому вектор орбіти Вулкану повинен співпадати з вектором обертання Венери навколо своєї осі. Чим ближче буде супутник до Венери, тим більшою буде його гравітаційна дія на неї; з іншої сторони гравітація Венери може спричинити значні зсуви ґрунту на супутнику, що становить небезпеку для системи керування Вулканом та, у випадку досягнення супутником межі Роша, може навіть зруйнувати його. 

Треба також враховувати, що після початку деформації кори Венери, її атмосфера розшириться та почне випаровуватись. Необхідно прорахувати ефект гальмування Вулкану верхніми шарами розширеної атмосфери Венери.

Ефект, який спричиняє супутник на Венеру:

1) Формування літосферних плит

Гравітація Вулкану почне розтягувати, деформувати та розривати тонку кору Венери. Це призведе до формування виражених рифтових зон, потужної вулканічної активності. Почнуть формуватись та дрейфувати літосферні плити.

2) Швидке охолодження Венери

Спочатку, за рахунок розривів кори Венери, температура на планеті значно підвищиться та становитиме 2000 – 2500оС. Але хмари пилу від виверження вулканів підійматимуться у верхні шари атмосфери та перешкоджатимуть нагріванню поверхні Венери сонячним промінням. Це призведе до довготривалого ефекту «ядерної зими». Звичайно, охолодження поверхні Венери до температури 70 – 90оС (придатної для розмноження ціанобактерій, здатних наситити атмосферу киснем) триватиме не одну сотню років, але цей процес можливо прискорити:

  • Знизити температуру Венери до 300оС та нижче, і почати насичувати її атмосферу водою. При сучасному тиску на Венері температура кипіння води буде близько 200-250оС. Вільна вода буде вимивати окис кальцію з породи Венери. Отриманий лужний розчин буде поглинати з атмосфери СО2, зв’язуючи його у вигляді карбонатів (CaCO3, MgCO3)
  • Температура кипіння води при різних тисках

     Тиск, атм   Температура кипіння води, оС 
    1,033 100,00
    1,500 110,79
    5,000 151,11
    10,000 179,04
    20,000 211,38
    25,000 222,90
    50,000 262,70
  • Розпорошити на низькій орбіті Венери віддзеркалюючу речовину, на зразок використаної для захисту льоду Вулкану від сонячних променів.
  • Підвищити верхню температурну межу життя ціанобактерій, за рахунок знаходження більш стійких видів або генної модифікації існуючих.

Ціанобактерії будуть поглинати СО2 та виділяти О2, що ще більше знизить температуру на Венері.

3) Зниження щільності атмосфери Венери

Підняття температури Венери призведе до її розширення, а значить, випаровування її частини у космос. Низька орбіта Вулкану також сприятиме «вивітренню» атмосфери.

4) Прискорення обертання Венери

Місяць, створюючи припливні хвилі, гальмує швидкість обертання Землі навколо своєї вісі. Причиною цього є те, що Земля обертається навколо себе за 24 години, тобто значно швидше періоду обертання Місяця навколо Землі (27,3 діб). У випадку Венери та Вулкану, все відбуватиметься навпаки. Чим нижчою буде орбіта Вулкану, тим швидшим буде його обертання навколо Венери і тим більшою буде вплив його гравітації на прискорення обертання планети.На Венері відбуватиметься ще один процес, здатний вплинути на швидкість обертання її навколо своєї вісі. Розломи в корі Венери сприятимуть швидкому охолодженню самої планети. Відомо, що тіло при охолодженні, стискається, а при зміні розмірів обертаючогося тіла, змінюється швидкість його обертання. Тобто, при охолодженні Венери, прискориться швидкість її обертання навколо своєї осі.

5) Формування магнітного диполя

Давайте спочатку розглянемо теорію магнітного геодинамо. 

В середині минулого століття фізики виділяли три необхідні умови виникнення магнітного поля планети.

Перша умова – великий об’єм електропровідної рідкої маси, насиченої залізом, утворюючої зовнішнє ядро Землі. Під ним розташоване внутрішнє ядро Землі, яке складається з майже чистого заліза, а над ним  - 3000 км твердих порід щільної мантії та тонкої земної кори. Тиск на ядро, що спричиняє земна кора та мантія, у 2 млн. раз вище, ніж на поверхні Землі. Температура ядра також дуже висока – близько 5000оС.

Друга умова виходить з першої – це потреба в джерелі енергії, необхідної для руху рідкої маси. Внутрішня енергія частково термального, частково хімічного походження, створює умови виштовхування всередині ядра. З початку формування Землі, її ядро більш гаряче всередині, ніж зовні. Це значить, що більш розігріта, а значить, менш щільна маса переміщається вгору. Коли ця маса досягає зовнішніх шарів, вона втрачає частину свого тепла, передаючи його мантії. Після цього, залізо стає щільнішим та опускається до низу під своєю вагою. Цей процес називають процесом теплової конвекції. 

Третя необхідна умова – обертання Землі. Виникаюча при цьому сила Коріоліса відхиляє рух висхідної рідкої маси всередині Землі так, як вона повертає океанічні течії та урагани. В центрі Землі сила Коріоліса закручує висхідну рідку масу у спіраль. 

Від себе можу додати до цього ще одну умову, необхідну для формування сильного магнітного поля. Гравітація Місяця найбільш впливає на поверхню нашої планети, гальмуючи її. Між тим, її вплив на рух ядра Землі мінімальний. Як результат, вплив Місяця на різницю швидкості обертання ядра Землі та її кори, значно посилює силу Коріоліса. Можна стверджувати, що саме завдяки Місяцю, наша планета має таке потужне магнітне поле.

Ми визначились, що Земля має насичену залізом рідку масу, розташовану в її центрі, енергію, достатню для підтримання конвекції та силою Коріоліса, яка закручує конвекційні потоки. Тепер, давайте розглянемо, які умови для формування магнітного диполя є на Венері.

Венера – планета земного типу. Маса Венери становить 0,8 маси Землі. Середня густина Венери – 5,2 г/см3 (для Землі – 5,5 г/см3) сила тяжіння – 0,9 земної. На основі цих даних, можна вважати, що Венера має подібну до земної внутрішню структуру а значить, перша та друга умови для формування магнітного диполя на Венері присутні. 

Відсутня лише третя умова – обертання Венери навколо своєї осі. Звичайно, Венера обертається, але період її обертання дуже тривалий і її доба становить 243 земних діб. Як було зазначено вище, Місяць досить сильно гальмує поверхню Землі, посилюючи таким чином силу Коріоліса, а значить і магнітне поле. У випадку Венери, все відбуватиметься навпаки – Вулкан буде прискорювати обертання поверхні Венери, так як його орбітальний період буде значно коротший за період її зоряної доби. Це збільшить різницю в швидкості обертання ядра Венери та її кори і надасть нам третю необхідну складову магнітного диполя – силу Коріоліса.

терраформування

Внутрішня структура двох планет має багато спільного

За однією з сучасних теорій напруженість дипольного магнітного поля залежить також від прецесії полярної осі. Якщо ця теорія підтвердиться, необхідно буде відкоректувати орбіту Вулкану під кутом до екліптики. Додатковим наслідком цієї корекції буде поява зміни пори року на Венері.

Слід розуміти, що процес прискорення обертання Венери та формування магнітного диполя – довготривалий процес. Проте, один раз запущений, він буде підтримувати сам себе вічно. Кожне обертання Вулкану навколо Венери буде прискорювати її обертання навколо своєї осі та посилювати магнітне поле. Необхідно також зазначити, що швидкість процесу терраформування Венери прямо пропорційна масі Вулкану та зворотно пропорційна його відстані від цієї планети.

6) Насичення атмосфери Венери водою

Для насичення атмосфери Венери водою можна використовувати два джерела:

а) Супутник Вулкан. Достатньо дати віддзеркалюючому захисту випаруватись, як почнуть випаровуватись поклади льоду на Вулкані. Сонячним вітром вони спрямовуватимуться у бік Венери. Звичайно, при цьому втрати льоду, який не досягне цілі (Венери) будуть величезними.

Більш ефективним є створення електромагнітної катапульти на Вулкані. В такому випадку можна було б відливати форми з льоду в залізній оболонці, або з залізним стрижнем усередині, та запускати у бік Венери.

б) Значну частину води для формування гідросфери Венери може дати сама Венера. Хоча її атмосфера суха, проте, всередині її кори можуть бути значні поклади зв’язаної з мінералами води.

З чого починати

Звичайно, терраформування планет – це справа майбутнього, але перший етап цього проекту, а саме етап пошуку, можна провести вже зараз.

Як показує практика, більшість комет або астероїдів відкривають астрономи-аматори. Тому я впевнений, що саме вони відкриють потрібний нам планетоїд. Для цього достатньо створити добровільні астрономічні організації і надати їм можливість вивчати дані, отримані державними телескопами (можливості аматорських телескопів ще досить обмежені). Беручи до уваги сучасну потужність астрономічних приладів, можна стверджувати що претендент на роль Вулкану буде знайдений у найближчі десятиліття. Це найлегший, але у той же час і найважливіший етап – лише знайшовши потрібний планетоїд та знаючи його масу та місце розташування, можна розрахувати час та ресурси, необхідні для впровадження нашого проекту.

 

Господь Бог не дав нам крила – але він дав нам мрію та розум, щоб її здійснити.

Максим Оченаш