Dette
er en ny og forbedret utgave av «Vi klarer ikke å terraforme Mars»
fra 1920 - se
https://kvernvold.blogspot.com/2020/09/vi-klarer-ikke-terraforme-mars.html
.
Advarsel:
Denne gjennomgåelsen kommer til å inneholde mange tall og et par
regnestykker. Derimot inneholder den IKKE ETT ENESTE pent bilde fra
Mars. Det blir altså drepende kjedelig, så hold ut! .
Da
jeg var ni år, drømte jeg om å reise til Mars. Jeg hadde lest «Den
røde planet» («Red Planet») av Robert Heinlein, så da ville jeg
også gå på skøyter på kanalen fra Syrtis Minor til Syrtis Major.
Det kom til å bli mye mer spennende enn å gå på Randsfjorden.
Det
ble lenge å vente. Gradvis ble Mars en helt annen planet. Kanalene
ble borte. I stedet ser vi et nakent landskap i alle sjatteringer av
oker, oppskåret av enorme raviner, arrete av meteornedslag,
frostsvidd i en atmosfære så tynn som Jordas ytterste stratosfære,
sandblåst av evig virvlende støvskyer. «Det er ingen fjell på
Mars», påsto Arthur C. Clarke i «The sands of Mars». På
veggkartet mitt ser jeg en planet med Solsystemets høgeste fjell,
tre ganger så høgt som Mount Everest, og en fjellkjede med flere
andre topper som overgår alt vi kan finne på Jorda.
Men
drømmen om Mars har jeg beholdt. Etter Vikinglanderne i 1976 fablet
jeg, bare halvt i spøk, om den dagen jeg skulle reise med kabelbanen
til toppen på Olympus Mons sammen med kompisen min, han Ingar. Der
skulle Norges to beste Mars-forfattere se ut over det djupfryste
ørkenlandet og knirke i kor: «Shake, rattle and roll! Shake, rattle
and roll!»
Det
blir verken rock'n roll eller køntrimusikk på Olympus Mons de
nærmeste åra. Kanskje blir de første basene opprettet, bare femti
år forsinket. Da dukker en gammel idé opp igjen fra
skrivebordsskuffen: Går det an å skaffe Mars en atmosfære til å
puste i, et klima som egner seg til utendørs opphold? Kort sagt,
gjøre den mer lik Jorda? - For skal vi ærlige, så frister ikke den
sandblåste, golde grushaugen til varig opphold, uansett hvor
fascinerende den er for oss romantikere. Det kommer ikke til å gå
godstog med forsyninger fra Jorda. Kolonister må dyrke sin egen mat
og brygge sitt eget øl! Ikke lett i 60 kuldegrader, i tilnærmet
vakuum, mens kroppen pepres av livsfarlig stråling: Et fint sted å
besøke, men du har egentlig ikke lyst til å bo der.
Elon
Musk har lest de samme science fiction-bøkene som jeg. I hvert fall
har han lest «Stranger in a strange land» av Heinlein. I denne
romanen har Valentine Michael Smith vokst opp på Mars og lært en
form for djup erkjennelse, kalt «grok», som gir ham nesten
overnaturlige evner. Derfor har Musk kalt KI-systemet sitt for
«Grok». Han har også foreslått å bruke atomvåpen på
polkalottene for å få dem til å fordampe, slik at CO2-innholdet i
atmosfæren blir økt, og drivhuseffekten gjør temperaturen mer
behagelig. Terraforming med hydrogenbomber, med andre ord. - Det
kommer ikke til å hjelpe stort, som du snart skal få se.
Jeg
var lenge en entusiastisk tilhenger av terraforming, og syslet med
ideen på skrivebordet: Hva skal en science fiction-forfatter med en
fysikkutdannelse, hvis han ikke kan bruke den til å gjøre Mars
beboelig? Men etterhvert har jeg fått motforestillinger: Bør vi
ikke heller bevare denne vilt fremmede ødemarka som varig kilde til
undring og kunnskap? Vi kan bygge så mange verdener vi vil andre
steder i rommet - kunstige øyer med plass til millioner av
mennesker. (Lurer du på hvordan? Spør en ingeniør. Les
«Sabotørene» av meg; les «Ringworld» av Larry Niven. Skjønt
sistnevnte er ustabil i den opprinnelige utgaven – Niven er jo ikke
ingeniør.) Så kan vi la den urørte naturen på Mars fortsette å
være urørt. Skal vi reise dit, må vi gjøre det på planetens
premisser: Husk oksygen, strålevern og romdrakt.
Andre
har bevart entusiasmen. Kim Stanley Robinsons Mars-trilogi («Red
Mars», «Green Mars», «Blue Mars») beskriver kolonisering,
terraforming og sosial utvikling over en 200-årsperiode, der Mars
framstår som et stadig bedre sted å bo, mens Jorda visner i
økologisk og sosialt sammenbrudd. Han har fortsatt å skrive
fortellinger i det samme framtidsuniverset.
Hvordan
foregår terraforming i praksis? I prinsippet er svaret enkelt: Du må
sørge for at planeten har tilstrekkelige mengder drivhusgass, og
fylle opp atmosfæren med oksygen og nitrogen til du får et
atmosfæretrykk som hjemme. Tyngdekraften kan du ikke gjøre noe med:
Har du levd noen år med 38 % av den tyngden du er konstruert for,
bør du ikke reise tilbake til Jorda. Du har ikke kropp til det
lenger.
Fra
bakken kan du utvinne oksygen og kanskje nitrogen nok, bare du har
tilstrekkelig tid og energi. Men aller først trenger vi oppvarming.
Vi må altså øke drivhuseffekten noe voldsomt.
I
terraforming er «Svartlegemetemperaturen» et sentralt begrep. Det
er den gjennomsnittstemperaturen en planet ville ha hvis det ikke
fantes en drivhuseffekt. Den viser på enkelt vis hvor sterk
drivhuseffekt du trenger for at temperaturen skal bli levelig. Å
beregne Jordas svartlegemetemperatur er en standardoppgave i
termodynamikken. Bruker du Stefan-Boltzmanns ligning og regner
riktig, basert på avstand til Sola (150 millioner kilometer), albedo
(0,306) og strålingsfluks fra Sola (1361 W/m2),
finner du at svaret er 18 kuldegrader. Gjennomsnittstemperaturen på
Jorda er 15 varmegrader. Forskjellen, 33 grader C, skyldes
drivhuseffekten. Varmestråling fra bakken blir fanget opp av
drivhusgasser i atmosfæren: Vanndamp, CO2,
metan og diverse andre. Vanndamp er den aller viktigste; deretter
følger CO2.
Det er disse gassene vi må satse på hvis vi vil terraforme Mars.
Vi
må først vite ut hvor stor drivhuseffekten er på Mars. Mars mottar
i snitt bare 43 % så mye solenergi som Jorda, og har en albedo på
0,25. Da kan du regne ut at svartlegemetemperaturen er 210 K –
altså minus 63 grader C. Det er temmelig krevende å finne
gjennomsnittstemperaturen på et sted der det er så langt mellom
termometrene, og der temperaturene varierer voldsomt mellom dag og
natt, mellom årstidene og i ymse slags topografiske forhold. Men
Wikipedia oppgir at Mars har en drivhuseffekt på 5 grader. En annen
kilde oppgir 6 grader, en studie fra Nasa oppgir 7 grader, og jeg har
sett en kilde som oppgir så mye som 10 grader. Sistnevnte kilde
meiner altså at snittstemperaturen er 220 K, det vil si minus 53
grader C. Fortsatt ganske utrivelig.
For
3,5 milliarder år sia var det mye varmere på Mars. Det var store
sjøer, elver, isbreer. På den nordlige halvkule kan det ha vært et
stort hav; i det enorme Hellas-krateret var det et innlandshav.
Valles Marineris er et ravinesystem som får Grand Canyon til å
virke som et lite skar. Der fosset det enorme mengder med smeltevatn.
For at alt dette skal ha vært mulig, må snittemperaturen – i
hvert fall på store deler av planeten – ha vært minst 273 K,
altså null grader C. Men SAMTIDIG har solstrålinga vært 25 %
svakere enn i dag, for Sola skinner sterkere for hver årmilliard som
går. Hvis Mars hadde samme albedo som nå – 0,25 - , så var
svartlegemetemperaturen 195 K, eller minus 78 C. Drivhuseffekten må
altså ha utgjort minst 78 grader. Hvordan i all verden var det
mulig?
Det
er publisert et hopetall studier som prøver å besvare dette
spørsmålet. Ingen har så langt levert et fullgodt svar. Forskerne
er enige om at atmosfæren den gangen inneholdt mye mer CO2 enn nå.
Én rapport fastslo i 1989 at for at flytende vatn skulle finnes på
overflata, måtte partialtrykket fra CO2 ha utgjort minst 1,3
atmosfærer. En annen rapport fra 2014 bekrefter dette tallet, med
tillegg av at det må ha vært fra 5 til 20 % hydrogen, pluss
vanndamp, i atmosfæren.
Andre
studier fastslår at heller ikke dette har vært tilstrekkelig. Det
er blitt laget store modeller som tar hensyn til forskjeller i
topografi og lokalt klima, og til sykliske variasjoner i aksehelling
og eksentrisitet i banen: Mars har nemlig også Milankovitsj-sykler,
akkurat som Jorda. Ved å forutsette store utbrudd med tilførsel av
SO2, og en kombinasjon av hydrogen og metan i tillegg til
karbondioksyd, klarer de nesten
å forklare det tidlige klimaet på Mars, og hvordan det gikk fra
varmt og vått til kaldt og tørt. Men bare nesten. Det ser ut til at
liv i en eller annen form kunne ha eksistert der. Men noe trivelig
sted for mennesker ville det ikke ha vært, med et trykk på et par
atmosfærer, hovedsakelig bestående av CO2, med solide doser av SO2,
metan og fritt hydrogen. Samt litt vanndamp.
I
dag har Mars fortsatt en atmosfære som består nesten bare av CO2
.Trykket
er bare 0,6 % av trykket på Jorda. Men partialtrykket fra CO2 er
altså på 6 millibar, mot bare 0,45 på Jorda! Hvorfor er ikke
drivhuseffekten minst like kraftig som på Jorda?
Det
finns flere grunner som trekker nedover på Mars og oppover på
Jorda.
For
det første: Drivhuseffekten virker ikke linjært. Ifølge den
enkleste beregninga av drivhuseffekt fra én gass øker den
logaritmisk med konsentrasjonen. Det betyr at hvis du dobler
konsentrasjonen av en drivhusgass, så stiger temperaturen bare med
det samme som den økte med forrige gang du doblet konsentrasjonen:
Fra 1 til 2 millibar av en gitt gass øker temperaturen kanskje med
en grad. Da må du øke med 2 millibar til for å få
temperaturøkningen opp i 2 grader. Og du må øke med 4 millibar for
å få temperaturøkningen opp i 3 grader. Og med 8 milibar til for å
- -
For
det andre: Utstrålt varmeenergi fra overflata er proporsjonal med
absolutt temperatur opphøyd i fjerde potens, i samsvar med
Stefan-Boltzmanns strålingslov. Det betyr at en økning på 1 grad
gir relativt mye større økning i utstrålt energi på Mars enn den
gjør hos oss: Følgelig blir den temperaturendringen som kreves for
å oppnå termisk likevekt (det blir verken varmere eller kaldere)
også mindre.
For
det tredje: På Jorda er vanndamp den viktigste drivhusgassen. Den
fungerer som multiplikator på virkningen av CO2.
Det foregår slik: Når lufta blir litt varmere, så stiger
metningstrykket for vanndamp. Da blir det mer vanndamp i lufta. Sia
vanndamp er en kraftig drivhusgass, fører det til en større
temperaturøkning
enn den utløsende økningen. Det skjer enten grunnen til den
utløsende økningen er CO2, økt solaktivitet eller svart magi. Nå
veit vi med tilnærmet 100 % sikkerhet at økningen i våre dager
skyldes CO2, med litt metan i tillegg.
De
fleste som regner på sånne ting konkluderer med at økningen her på
Jorda på grunn av vanndamp er (minst) dobbelt så stor som økningen
på grunn av CO2
–
dvs en multiplikatoreffekt på minst 3. Det
finns forskere som er uenige: Meteorologen Roy Spencer hevder at økt
skydekke på grunn av mer luftfuktighet motvirker denne effekten.
Blant klimaforskere har han ikke mange meiningsfeller. Og det er
ingenting ved global oppvarming de siste åra som tyder på at han
har rett.
For
som kjent passerte vi 1,5 grader oppvarming i 2024, i henhold til
alle som måler slikt - deriblant Copernicus, NASA og World
Meteorological Organization. Da ligger vi tre år foran det skjemaet
jeg satte opp i 2016: Da skrev jeg – ut fra svært enkle og banale
regnestykker - at vi kom til å passere 1,5 grader i 2027, og 2
grader i 2045. MEN jeg skrev også at sia utslippene fortsetter som
før, kommer oppvarminga til å gå fortere.
Økningen
på 1,5 grader betyr at det nå er over 10 % mer vanndamp i Jordas
atmosfære enn det var i før-industriell tid. Det er denne økningen
som forårsaker mesteparten av den globale oppvarmingen. En slik
virkning får du ikke på Mars.
For
hvis tallet fra Nasa er riktig, er gjennomsnittstemperaturen på Mars
minus 56 grader. La oss sammenligne: Når temperaturen på Jorda har
økt fra 13,5 til 15 grader C, har metningstrykket for vanndamp
steget fra 11,6 til 12,8 mm kvikksølv – altså 1,2 mm. Men når
temperaturen på Mars har steget fra 63 til 56 minusgrader, har
metningstrykket steget fra 0,006 til 0,01 mm – altså en økning på
0.004 mm. Slikt blir det ikke mye ekstra drivhuseffekt av.
For
at vanndamp skal fungere som en kraftig klimagass, må temperaturen
først
komme
opp i noe nær smeltepunktet. Ved smeltepunktet er metningstrykket
omtrent 1/3 av metningstrykket ved 15 grader. - I tillegg må det
selvfølgelig finnes vatn som kan fordampe. På Jorda er det hav på
71 % av overflata. På Mars er det tilsvarende tallet 0 %. Med andre
ord: Det er tørt.
Hvor
langt kan vi komme med bare å øke CO2-innholdet i Mars-atmosfæren
noe aldeles grassalt? La oss prøve den enkle modellen som sier at
temperaturen øker logaritmisk med konsentrasjonen.
Hvis
drivhuseffekten i dag utgjør 7 grader, kan vi med dette enkle
regnestykket finne ut at vi oppnår ytterligere 7 grader forbedring
ved å øke konsentrasjonen med 12 millibar, dvs totalt 18. Og vi kan
oppnå ytterligere 7 grader forbedring ved å øke konsentrasjonen
med ytterligere 24 millibar – totalt 42. Og så videre.
Hvis
jeg har klart å holde tunga rett i munnen, klarer vi å øke
middeltemperaturen på Mars til 273 K, dvs 0 grader C – 15 grader
mindre enn på Jorda, men vi er ikke storforlangende – ved å øke
partialtrykket fra CO2 til 3068 millibar. Godt og vel tre
atmosfærer.
Hvis
jeg er så generøs at jeg bruker den kilden som sier at Mars har en
drivhuseffekt på hele 10 grader, er middeltemperaturen i dag minus
53 grader C. Hvis jeg gjør de samme regnestykkene, finner jeg at ved
å øke trykket til 1270 millibar, får jeg en
gjennomsnittstemperatur på pluss 7 grader C. Det stemmer
forbløffende godt med de studiene som sier at Mars for 3,5
milliarder år sia må ha hatt minst 1,3 atmosfærers trykk fra CO2
for å ha flytende vatn. Husk at for 3,5 milliarder år sia var
svartlegemetemperaturen 15 grader lågere enn i dag, på grunn av
svakere stråling fra Sola.
Konklusjon:
For å få levelige temperaturer på overflata av Mars i dag, trenger
vi minst
1 atmosfæres trykk fra CO2. Antakelig mye mer, og dessuten SO2 og
fritt hydrogen i tillegg. Pluss vanndamp.
Men
flere ting er feil med dette tallet. NASA-forskerne Jakosky og
Edwards har reagert på det glupe forslaget fra Elon Musk om å
teppebombe polkalottene med atombomber for å få tørrisen til å
fordampe. For i polkalottene er det ikke mer CO2
enn
det som skal til for å doble det nåværende atmosfæretrykket, sier
de. Kanskje finns det dobbelt så mye spredt i overflata på resten
av Mars, men det er heller ikke i nærheten av å være nok. Og
kanskje – kanskje - kan vi skrape sammen nok CO2
til
20 millibar – men for å få temperaturen opp til 0 grader C
trenger vi 50 ganger så mye!
For
det andre vil seriøse klimaforskere protestere vilt mot det
regnestykket jeg har satt opp. De vil påpeke at den enkle,
logaritmiske økningen bare gjelder innafor et begrenset område. Det
oppstår flere komplekse effekter – blant annet at vi får skyer av
CO2 i de øvre atmosfærelagene. Disse skyene vil øke albedo og gi
avkjøling.
For
det tredje ønsker vi en atmosfære vi kan leve i. Allerede ved 60
millibar CO2 i
lufta blir du forvirret og får dårlig syn, hørsel, motorikk. Ved
100 millibar besvimer du, og ved 150 millibar går det enda verre med
deg. Vi kan altså ikke bare kjøre på med stadig mer CO2,
sjøl om det kunne skaffes.
Her
på Jorda er det, som sagt, vanndampen som sørger for mesteparten av
drivhuseffekten, når vi først har fått sparket den i gang med CO2.
Kan den komme oss til hjelp på Mars også? Noen optimister har
regnet ut at det skal være nok vann-is i polkalottene og i
Mars-tundraen forøvrig til at det kunne dekke overflata med flere
meter vatn, eventuelt is. Det kan være overoptimistisk, men la oss
prøve.
Vi
er fornuftige og begrenser CO2-innholdet
til 30 millibar. - Ved 43 kuldegrader er metningstrykket av vanndamp
over is ca 0,06 millibar. Alt ut over dette faller som dunlette
snøkrystaller i den djupfryste ørkensanden. Hadde dette vært
Jorda, ville så mye vanndamp kanskje ha gitt et tillegg i
drivhuseffekten på 0,1 grad C.
Der
du sitter på verandaen din i sommerlig innlandsklima, ligger
partialtrykket av vanndamp på 10-15 millibar. Slikt blir det
drivhuseffekt av. Men 0,06 millibar? Give me a break, som vi sier på
nynorsk.
Vi
kan bli desperate og vurdere metan. Den finns (nesten) ikke på Mars;
den må hentes – for eksempel fra Titan, hvor det er store sjøer
av den. Fraktkostnadene blir store, men metan er en mye kraftigere
drivhusgass enn CO2.
Luktfri er den også! Jeg siterer en instruktør ved Norges
Brannskole: «Hvis man går lenge i et område med metangass, kan man
svime av og i verste fall dø. Har du fått i deg metangass, vil du
kjenne at du blir tung i hodet og føler ubehag i kroppen. Sakte men
sikkert går ubehaget over i bevisstløs tilstand.» - Kanskje ikke
en særlig god idé det heller, altså.
Mars
har som sagt vært mye varmere. Det har vært elver og hav der, store
hav der det kan ha myldret av liv. For tre og en halv milliarder år
sia kan det ha vært vel så trivelig på Mars som her på Jorda. I
hvert fall hvis du var en mikroorganisme som svømte rundt i de svale
bølgene i Hellas-krateret mens du mesket deg på CO2 og SO2, i et
trykk på 1,3 atmosfærer eller mer. Men for deg og meg ville denne
blandinga ha vært dødelig – vi ville ha trengt umiddelbar
legehjelp etter det første åndedraget.
I
motsetning til Jorda – for ikke å snakke om Venus! - mistet Mars
sin tidlige atmosfære. Forskere meiner at solvinden har hatt mye av
skylda for det. Uten magnetfelt, eller med et mye svakere magnetfelt
enn Jorda, hadde ikke Mars noe vern mot strømmen av ladete
partikler. Med lågere tyngdekraft enn Jorda klarte den heller ikke å
holde på lufta, vanndampen og hydrogenet. I tillegg vil fritt
hydrogen, hvis det har vært en del av blandinga, ha forsvunnet ut i
rommet på grunn av et svakere tyngdefelt, sammen med vanndamp og –
kanskje – en god del CO2. Resten av den tidlige atmosfæren finner
du i eller under ørkensanden i form av karbonater av ymse slag.
Derfor
finns ikke lenger muligheten til å gjenskape det frodige klimaet som
en gang fantes. Vi må glede oss over planeten slik den er nå: Vill,
fremmed, et varig mysterium.
Vi
kommer til å reise dit. Men vi kommer ikke til å klare å omforme
den til det ugjenkjennelige etter vårt eget hode. Mars er
uovervinnelig.
I tillegg til «Red
Planet» (https://en.wikipedia.org/wiki/Red_Planet_(novel))
av Robert Heinlein og «The Sands of Mars» (
https://en.wikipedia.org/wiki/The_Sands_of_Mars
) av Arthur C. Clarke har jeg brukt bl a følgende kilder:
R. Durham,
R.B.S
chmunk,
J.W.
Chamberlain: «Comparative analysis of the atmospheres of early Earth
and early Mars», Advances in Space Research, 1989
(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0273117789902196
)
Ralph Kahn: «The
evolution of CO2 on
Mars», Icarus issue 2, 1985 (
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0019103585901162
)
Y.L.
Yung,
H.
Nair,
M.F.
Gerstell: «CO2Greenhouse in the Early Martian Atmosphere: SO2
Inhibits Condensation», Icarus issue 1, 1997
(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103597958085
)
Jiacheng
Liu,
Joseph
R. Michalski,
Zhicheng Wang, Wen-Sheng Gao: «Atmospheric oxidation drove climate
change on Noachian Mars», Nature communications 2024
(https://www.nature.com/articles/s41467-024-47326-0
)
Michael
A. Mischna,
Victor
Baker,
Ralph
Milliken,
Mark
Richardson,
Christopher
Lee:
«Effects of obliquity and water vapor/trace gas greenhouses in the
early martian climate», Journal of Geophysical Research: Planets,
Vol. 118, 2013
(https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jgre.20054
)
Wikipedia:
«Atmosphere of Mars»
(https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Mars
)
Robin
D. Wordsworth: «The Climate of Early Mars», Annual Review of Earth
and Planetary Sciences, 2016
(https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-earth-060115-012355
)