Vi klarer ikke å terraforme Mars, V2.0

 

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 CO_{2 .}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 )