Введение
Терраформирование Венеры или терраформация Венеры - это гипотетический процесс проектирования глобальной среды планеты Венера, чтобы сделать ее пригодной для обитания человека. Устранение большей части плотной углекислого газа и диоксида серы атмосферы планеты путем удаления или преобразования в какую-то другую форму Добавление дышащего кислорода в атмосферу. Эти три изменения тесно взаимосвязаны, потому что экстремальная температура Венеры обусловлена высоким давлением ее плотной атмосферы и парниковым эффектом.
The terraforming of Venus or the terraformation of Venus is the hypothetical process of engineering the global environment of the planet Venus in order to make it suitable for human habitation. Eliminating most of the planet's dense carbon dioxide and sulfur dioxide atmosphere via removal or conversion to some other form
The addition of breathable oxygen to the atmosphere. These three changes are closely interrelated because Venus's extreme temperature is due to the high pressure of its dense atmosphere and the greenhouse effect.
История идеи
Пол Андерсон, успешный писатель научной фантастики, предложил эту идею в своем романе 1954 года "Большой дождь", рассказе, относящемся к его истории будущего Психотехнической лиги. Первое известное предложение терраформировать Венеру в научном контексте было сделано астрономом Карлом Саганом в 1961 году. До начала 1960-х годов многие астрономы считали, что атмосфера Венеры имеет температуру, подобную температуре Земли. Когда стало известно, что Венера имеет густую атмосферу углекислого газа, в результате чего возникает очень большой парниковый эффект, некоторые ученые начали задумываться об идее изменения атмосферы, чтобы сделать поверхность более похожей на Землю. Эта гипотетическая перспектива, известная как терраформирование, была впервые предложена Карлом Саганом в 1961 году в качестве последнего раздела его классической статьи в журнале Science, в которой обсуждается атмосфера и парниковый эффект Венеры. "Вот фатальный недостаток: в 1961 году я думал, что атмосферное давление на поверхности Венеры составляло несколько бар. Теперь мы знаем, что оно составляет 90 бар, так что если схема сработала, результатом была бы поверхность, покрытая сотнями метров тонкого графита, и атмосфера, состоящая из 65 бар почти чистого молекулярного кислорода. Будем ли мы сначала взорваться под атмосферным давлением или спонтанно вспыхнуть в огне во всем этом кислороде, остается открытым для обсуждения. Однако задолго до того, как кислород накопился бы в таком количестве, графит спонтанно сгорел бы обратно в CO2, что привело бы к короткому замыканию процесса". После работы Сагана, было мало научных обсуждений концепции до возрождения интереса в 1980-х годах.
Предлагаемые подходы к терраформированию
Ряд подходов к терраформированию рассмотрен Мартином Дж. Фоггом (1995) и Джеффри А. Лэндисом (2011). Трудности включают в себя тот факт, что для производства органических молекул из углекислого газа требуется водород, который очень редко встречается на Венере. Поскольку Венере не хватает защитной магнитосферы, верхняя атмосфера подвержена прямой эрозии солнечного ветра и потеряла большую часть своего первоначального водорода в космос. И, как заметил Саган, любой углерод, который был связан в органических молекулах, быстро превратился бы в углекислый газ снова в горячей поверхностной среде. Венера не начнет остывать, пока большая часть углекислого газа уже не будет удалена. Хотя общепризнано, что Венера не может быть терраформирована только путем введения фотосинтезирующей биоты, использование фотосинтезирующих организмов для производства кислорода в атмосфере продолжает быть компонентом других предлагаемых методов терраформирования.
Захват в карбонатах
На Земле почти весь углерод содержится в виде карбонатных минералов или на разных стадиях углеродного цикла, в то время как очень мало присутствует в атмосфере в виде углекислого газа. На Венере ситуация противоположная. Большая часть углерода присутствует в атмосфере, в то время как сравнительно мало углерода содержится в литосфере. Исследования атмосферной эволюции Венеры показывают, что равновесие между нынешней атмосферой в 92 бар и существующими поверхностными минералами, особенно оксидами кальция и магния, довольно нестабильно, и что последние могут служить источником углекислого газа и диоксида серы путем превращения в карбонаты. Если бы эти поверхностные минералы полностью преобразовались и насытились, тогда атмосферное давление снизилось бы, и планета несколько остыла бы. Одним из возможных конечных состояний, смоделированных Буллоком и Гринспуном, была атмосфера и температура поверхности. Чтобы преобразовать остальную часть углекислого газа в атмосфере, большая часть коры должна быть искусственно подвергнута воздействию атмосферы, чтобы обеспечить более широкое преобразование карбоната. В 1989 году Александр Г. Смит предложил, что Венера может быть терраформирована литосферным опрокидыванием, что позволяет превращать кору в карбонаты. Landis 2011 подсчитал, что для получения достаточного количества поверхностных пород для преобразования атмосферы потребуется участие всей поверхностной коры на глубину более 1 км. Поэтому можно предположить, что аналогичные технологии могут также использоваться в контексте тераформации на Венере. Можно также отметить, что химическая реакция, превращающая минералы и углекислый газ в карбонаты, является экзотермической, по сути, производя больше энергии, чем потребляется в реакции. Это открывает возможность создания самоподдерживающихся процессов преобразования с потенциалом экспоненциального роста скорости преобразования до тех пор, пока большая часть атмосферного углекислого газа не будет преобразована. Бомбардировка Венеры рафинированным магнием и кальцием из других миров также может отделить углекислый газ в виде карбонатов кальция и магния. Для преобразования всего углекислого газа в атмосфере потребуется около 8 кг кальция или 5 кг магния, что потребует значительной добычи и переработки полезных ископаемых (возможно, на Меркурии, который особенно богат минералами). 8 кг в несколько раз больше массы астероида 4 Vesta (более чем в диаметре).
Впрыск в вулканическую базальтовую породу
Исследовательские проекты в Исландии и штате Вашингтон в США показали, что потенциально большое количество углекислого газа может быть удалено из атмосферы путем впрыска высокого давления в пористые базальтовые образования под поверхностью, где углекислый газ быстро превращается в твердые инертные минералы. Другие исследования показывают, что один кубический метр пористого базальта может удерживать 47 килограммов введенного углекислого газа. Согласно этим оценкам, для удерживания всего углекислого газа в атмосфере Венеры потребуется объем около 9,86 × 109 км3 базальтовой породы. Это равно всей коры Венеры на глубину около 21,4 километра. В другом исследовании было установлено, что при оптимальных условиях в среднем 1 кубический метр базальтовой породы может удерживать 260 кг углекислого газа. Кора Венеры кажется толстой, и на планете преобладают вулканические особенности. Поверхность составляет около 90% базальта, а около 65% состоит из мозаики вулканических лавовых равнин. Поэтому на планете должно быть достаточное количество базальтовых слоев с очень перспективным потенциалом для удержания углекислого газа. Исследования также показали, что при высокой температуре и высоком давлении в мантии, диоксид кремния, самый распространенный минерал в мантии (на Земле и, вероятно, также на Венере), может образовывать карбонаты, которые стабильны в этих условиях. Это открывает возможность удержания углекислого газа в мантии.
Введение водорода
По словам Берча, поскольку первоначальное образование и внутренняя структура Земли и Венеры, как правило, считаются несколько похожими, то же самое может быть верно для Венеры. Для реакции также потребуется железный аэрозоль в атмосфере, а железо может поступать из Меркурия, астероидов или Луны. (Потеря водорода из-за солнечного ветра вряд ли будет значительной по временной шкале терраформирования.) Из-за относительно плоской поверхности планеты эта вода покрыла бы около 80% поверхности, по сравнению с 70% для Земли, хотя она составляла бы только примерно 10% воды, найденной на Земле. Оставшаяся атмосфера, около 3 бар (около трех раз больше Земли), будет в основном состоять из азота, часть которого растворится в новых океанах воды, снижая атмосферное давление в соответствии с законом Генри. Для дальнейшего снижения давления можно также фиксировать азот в нитраты. Футуролог Айзек Артур предложил использовать гипотетические процессы звездообразования и звездообразования для создания пучка частиц ионизированного водорода от Солнца, предварительно названного "гидропушкой". Это устройство может быть использовано как для разжижения плотной атмосферы Венеры, так и для введения водорода, чтобы реагировать с углекислым газом для создания воды, тем самым еще больше снижая атмосферное давление.
Прямое удаление атмосферы
Разрежение атмосферы Венеры может быть предпринято различными методами, возможно, в комбинации. Прямое поднятие атмосферного газа с Венеры в космос, вероятно, будет затруднено. У Венеры достаточно высокая скорость выхода, чтобы сделать взрыв с помощью астероида непрактичным. Полак и Саган подсчитали в 1994 году, что ударный элемент диаметром 700 км, поражающий Венеру со скоростью более 20 км/с, выбросит всю атмосферу над горизонтом, как видно с точки удара, но поскольку это меньше чем одна тысячная от общей атмосферы, и возврат будет уменьшаться по мере уменьшения плотности атмосферы, потребуется очень большое количество таких гигантских ударных элементов. Лэндис подсчитал, что для снижения давления с 92 бар до 1 бар потребуется минимум 2000 ударов, даже если эффективность удаления атмосферы будет совершенной. Меньшие объекты тоже не работают, потому что потребуется больше. Сила бомбардировки может привести к значительному выбросу газов, которые заменят удаленную атмосферу. Большая часть выброшенной атмосферы пойдет на солнечную орбиту около Венеры и, без дальнейшего вмешательства, может быть захвачена венерианским гравитационным полем и снова стать частью атмосферы. Другой вариант метода, включающий бомбардировку, заключается в том, чтобы возмутить массивный объект пояса Койпера, чтобы поместить его орбиту на путь столкновения с Венерой. Если объект, состоящий в основном из льда, имел достаточно скорости, чтобы проникнуть всего в несколько километров мимо поверхности Венеры, силы, возникающие в результате испарения льда от ударного элемента и самого удара, могли бы переместить литосферу и мантию, таким образом, выбросив пропорциональное количество материи (в виде магмы и газа) с Венеры. Побочным продуктом этого метода будет либо новая луна для Венеры, либо новый ударный объект из обломков, который впоследствии упадет на поверхность. Удаление атмосферных газов более контролируемым образом также может оказаться затруднительным. Из-за чрезвычайно медленного вращения Венеры космические лифты очень трудно построить, потому что геостационарная орбита планеты находится на непрактичном расстоянии от поверхности, а очень толстая атмосфера, которую нужно удалить, делает двигатели массы бесполезными для удаления полезных нагрузок с поверхности планеты. Возможные решения включают размещение массовых драйверов на воздушных шарах на большой высоте или на башнях, поддерживаемых воздушными шарами, простирающихся над основной частью атмосферы, с использованием космических фонтанов или ротоваторов. Кроме того, если бы плотность атмосферы (и соответствующий парниковый эффект) была резко уменьшена, температура поверхности (теперь фактически постоянная) вероятно, сильно варьировалась бы между дневным и ночным полюсами. Другим побочным эффектом снижения плотности атмосферы может быть создание зон резкой погодной активности или штормов на терминаторе, потому что большие объемы атмосферы будут быстро нагреваться или охлаждаться.
Охлаждение планеты солнечными тенями
Венера получает примерно в два раза больше солнечного света, чем Земля, что, как полагают, способствовало ее бегствующему парниковому эффекту. Одним из способов тераформирования Венеры может быть сокращение солнечной активности на поверхности Венеры, чтобы предотвратить повторное нагревание планеты.
Космические
Солнечные тени можно использовать для уменьшения общего количества солнечного света, получаемого Венерой, что несколько охлаждает планету. Тень, помещенная в точку Лагранжа Солнца - Венеры, также будет служить для блокирования солнечного ветра, устраняя проблему радиационного воздействия на Венеру. Соответственно большой солнечный тень будет в четыре раза больше диаметра самой Венеры, если в точке. Это потребует строительства в космосе. Также возникает сложность балансирования тонкой пленки тени перпендикулярно лучам Солнца в точке Солнца-Венеры Лагранжа с поступающим давлением излучения, которое, как правило, превращает тень в огромный солнечный парус. Если бы тень просто осталась в этой точке, давление прибавило бы силы к солнечной стороне, и тень ускорилась бы и вышла бы из орбиты. Вместо этого тень могла бы быть расположена ближе к Солнцу, используя солнечное давление для балансирования гравитационных сил, на практике становясь статитом. Для решения проблемы солнечного паруса также были предложены другие модификации конструкции солнечного занавеса. Один из предлагаемых методов - использование полярных орбитальных солнечных синхронных зеркал, которые отражают свет в сторону задней части солнцезащитного навеса, с противосолнечной стороны Венеры. Фотоновое давление подтолкнет озерки под углом 30 градусов от солнечной стороны. система зеркал вблизи точки между Венерой и Солнцем. Панели тени не будут перпендикулярны к лучам Солнца, а вместо этого под углом 30 градусов, так что отраженный свет будет поражать следующую панель, отрицая давление фотонов. Каждый ряд панелей будет отклоняться на +/ 1 градус от 30-градусного угла отклонения, в результате чего отраженный свет будет искажен на 4 градуса от удара по Венере. Солнечные навесы также могут служить генераторами солнечной энергии. Космические технологии солнечных теней и тонкопленочные солнечные паруса в целом находятся только на ранней стадии развития. Огромные размеры требуют количества материала, которое на много порядков больше, чем любой из созданных человеком объектов, которые когда-либо были доставлены в космос или построены в космосе.
Атмосферные или поверхностные
Венера также может быть охлаждена, разместив в атмосфере отражатели. Отражающие воздушные шары, плавающие в верхних слоях атмосферы, могут создавать тень. Количество и/или размер шариков обязательно должны быть большими. Джеффри Лэндис предположил, что если бы было построено достаточное количество плавучих городов, они могли бы сформировать солнечный щит вокруг планеты и одновременно использоваться для обработки атмосферы в более желательную форму, таким образом, объединяя теорию солнечного щита и теорию атмосферной обработки со масштабируемой технологией, которая немедленно обеспечит жилье в атмосфере Венеры. Если они сделаны из углеродных нанотрубок или графена (лист, похожий на углеродный аллотроп), то основные структурные материалы могут быть изготовлены с использованием углекислого газа, собранного на месте из атмосферы. Недавно синтезированная аморфная карбония может оказаться полезным конструкционным материалом, если ее можно отжечь при стандартных условиях температуры и давления (STP), возможно, в смеси с обычным кремниевым стеклом. Согласно анализу Бирча, такие колонии и материалы обеспечат немедленный экономический доход от колонизации Венеры, финансируя дальнейшие усилия по терраформированию. Увеличение альбедо планеты путем размещения светового цвета или отражающего материала на поверхности (или на любом уровне ниже облачных вершин) не было бы полезно, потому что поверхность Венеры уже полностью окутана облаками, и почти никакой солнечный свет не достигает поверхности. Таким образом, маловероятно, что он сможет отражать больше света, чем уже отражающие облака Венеры, с альбедо Бонда 0,77.
Сочетание солнечных оттенков и атмосферной конденсации
Берч предложил использовать солнечные тени не только для охлаждения планеты, но и для снижения атмосферного давления, путем замораживания углекислого газа. (30.978 или 87.761) и парциальное давление CO2 для снижения атмосферного давления до 73.773 Эта технология может использовать тот факт, что в определенных длинах волн тепловое излучение из нижней атмосферы Венеры может "убегать" в космос через частично прозрачные атмосферные "окна" спектральные пробелы между сильными поглощающими полосами CO2 и H2O в ближнем инфракрасном диапазоне Выходящее тепловое излучение зависит от длины волны и варьируется от самой поверхности до приблизительно до нанофотоники и строительство метаматериалов открывает новые возможности для адаптации спектра излучения поверхности путем правильной разработки периодических нано/микроструктур. Недавно были предложения о устройстве под названием "эмиссионный энергетический комбайн", который может передавать тепло в космос через радиационное охлаждение и преобразовывать часть теплового потока в избыточную энергию, открывая возможности самовоспроизводящейся системы, которая может экспоненциально охлаждать планету.
Ввод воды
Поскольку на Венере содержится лишь небольшая часть воды Земли (менее половины содержания воды в атмосфере Земли и ни одной на поверхности), вода должна была бы вводиться либо вышеупомянутым методом введения водорода, либо из какого-либо другого межпланетного или внепланетного источника.
Захватываем ледяные луны
Пол Бирч предполагает возможность столкновения Венеры с одним из ледяных спутников внешней Солнечной системы, поэтому было высказано предположение, что технически возможно извлечь эту воду из мантии на поверхность, даже если в настоящее время не существует осуществимого метода для достижения этого.
Изменение цикла день-ночь
Венера вращается один раз в 243 земных дня - это самый медленный период вращения из всех известных объектов в Солнечной системе. Таким образом, сидерный день Венеры длится больше, чем год Венеры (243 против 224,7 земных дней). Однако продолжительность солнечного дня на Венере значительно короче, чем сидерный день; для наблюдателя на поверхности Венеры время от восхода солнца до следующего будет составлять 116,75 дней. Из-за чрезвычайно медленной скорости вращения неясно, сколько времени от восхода до заката для фактического наблюдателя, стоящего на Венере. Есть согласие, что этот период времени составляет около 117 дней, но некоторые источники говорят, что это период времени от восхода до заката, в то время как другие источники говорят, что это время от одного восхода до следующего, что будет полной длиной солнечного дня, включая ночь. Поэтому медленная скорость вращения Венеры приведет к чрезвычайно длинным дням и ночам, похожим на циклы дня и ночи в полярных регионах Земли - более короткие, но глобальные. Точный период солнечного дня очень важен для терраформирования, так как 117 дней дневного света будут эквивалентны лету в более умеренных регионах Аляски, тогда как 58 дней дневного света приведут к очень короткому вегетационному сезону, который можно найти в высокой арктике. Это может означать разницу между вечной мерзлотой и вечным льдом или зелеными пышными северными лесами. Медленное вращение может также объяснить отсутствие значительного магнитного поля.
Аргументы, поддерживающие неизменность текущего цикла день-ночь
До недавнего времени предполагалось, что для успешной тераформации необходимо увеличить скорость вращения или дневной и ночной циклы Венеры. Однако более поздние исследования показали, что текущая медленная скорость вращения Венеры вовсе не наносит ущерба способности планеты поддерживать климат, подобный земному. Скорее, медленная скорость вращения, учитывая атмосферу, подобную Земле, позволит образовать толстые слои облаков на стороне планеты, обращенной к Солнцу. Это, в свою очередь, повысит планетарное альбедо и охладит глобальную температуру до уровня Земли, несмотря на большую близость к Солнцу. Согласно расчетам, максимальная температура будет составлять всего около 35 °C (95 °F), учитывая атмосферу, подобную Земле. Ускорение скорости вращения было бы непрактичным и неблагоприятным для усилий по терраформированию. Терраформированная Венера с текущим медленным вращением привела бы к глобальному климату с периодами "день" и "ночь" длиной примерно 2 месяца (58 дней), напоминающим сезоны на более высоких широтах на Земле. Этот "день" будет напоминать короткое лето с теплым, влажным климатом, облачным небом и обильным дождем. "Ночь" будет похожа на короткую, очень темную зиму с довольно холодной температурой и снегопадом. Были бы периоды с более умеренным климатом и ясным временем на восходе и закате, напоминающими "весну" и "осень". Для этого требуется большая энергия. В своей книге о терраформировании, одна из концепций, которую обсуждает Фогг, заключается в увеличении вращения Венеры с использованием трех квадриллионов объектов, циркулирующих между Венерой и Солнцем каждые 2 часа, каждый из которых движется со скоростью 10% от скорости света. что Венера может вращаться до длины дня 30 земных дней, экспортируя атмосферу Венеры в космос с помощью массовых драйверов. Предложение Бирча включает использование динамических компрессионных элементов для передачи энергии и импульса через высокоскоростные массовые потоки в полосу вокруг экватора Венеры. Он подсчитал, что достаточно высокая скорость потока массы, примерно 10% от скорости света, может дать Венере день 24 часа в течение 30 лет.
Создание искусственной магнитосферы
Чтобы защитить новую атмосферу от солнечного ветра и избежать потери водорода, потребуется искусственная магнитосфера. В настоящее время Венере не хватает внутреннего магнитного поля, поэтому для формирования магнитосферы необходимо создать искусственное планетарное магнитное поле через его взаимодействие с солнечным ветром. По словам двух японских ученых из NIFS, это возможно сделать с помощью современной технологии, построив систему охлажденных широтных сверхпроводящих колец, каждый из которых несет достаточное количество постоянного тока. В том же докладе утверждается, что экономическое воздействие системы может быть сведено к минимуму, используя ее также в качестве планетарной системы передачи и хранения энергии (SMES). В другом исследовании предлагается возможность развертывания магнитного дипольного щита в точке Лагранжа L1, создавая тем самым искусственную магнитосферу, которая защитит всю планету от солнечного ветра и излучения.