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.
Источник
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 остановка 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.
Источник
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:
1. Определить влияние потерь газов на климатические изменения Марса в настоящее время и в прошлом.
2. Определить текущее состояние верхних слоев атмосферы и ионосферы Марса и взаимодействия их с солнечным ветром.
3. Определить темпы потери атмосферы, а также факторы, влияющие на этот процесс.
4. 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 объектах, 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.
Остается вопрос о том, какой источник энергии позволил бы запитать подобную конструкцию на орбите Марса. Для этого определенно не подойдут солнечные панели, так как солнечное излучение на орбите Марса довольно слабое, и даже сконструировав солнечные панели площадью 4000 м2 и обладающие КПД 20%, нам потребовалось бы для производства проводника больше меди, чем в принципе имеется на Земле. Более эффективным энергетическим решением был бы 830-мегаваттный ядерный реактор, работающий на орбите Марса и запитывающий магнитный контур. В таком случае напряжение в системе составило бы всего 2 вольт, а размеры медной катушки — 3,5 метров в диаметре при весе около 57 тонн. По расчетам автора, такая катушка позволила бы генерировать магнитное поле около 81 тесла. При этом необходимо было бы решить дополнительные технические проблемы, связанные с отводом избыточной теплоты от контура во избежание его деформации, а также обеспечить доставку 40 тонн урана в марсианскую точку Лагранжа каждые два года (следует оговориться, что мы пока не можем оценить запасы урана на Марсе, поэтому последняя проблема может решаться проще, чем кажется на первый взгляд).
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.
