Vi klarer ikke å terraforme Mars

 

Da jeg var ni år, begynte jeg å drømme om å reise til Mars. Jeg hadde lest «Den røde planet» (originaltittel: «Red Planet») av Robert Heinlein, og kunne ikke vente med å gå på skøyter på kanalen fra Syrtis Minor til Syrtis Major. Det kunne bli enda mer spennende enn å gå på Randsfjorden!

Det er blitt lenge å vente. Gradvis ble Mars en helt annen planet enn vi trudde. Kanalene er 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». Nå viser veggkartet mitt en planet med Solsystemets høgeste fjell, tre ganger så høgt som Mount Everest, og en fjellkjede med flere topper som også overgår alt vi kan finne på Jorda.

Men drømmen om å reise til Mars har jeg beholdt. Månelandinga i 1969 åpnet jo døra til verdensrommet på vidt gap! 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 vi se ut over det djupfryste ørkenlandet under en stjernestrødd himmel og knirke i kor: «Shake, rattle and roll! Shake, rattle and roll!»

Det blir ikke noe rock'n roll på Olympus Mons de nærmeste åra. Kanskje opplever jeg at de første basene blir opprettet, bare femti år forsinket. Dermed dukker en gammel idé opp igjen fra skrivebordsskuffen: Går det an å terraforme Mars? Skaffe den 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 for særlig mange, 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, bygge sine egne hus, ivareta sitt eget helsestell. 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.

Jeg var lenge en entusiastisk tilhenger av terraforming, og syslet med ideen på skrivebordet: Hva skal en science fiction-forfatter med sin fysikkutdannelse, hvis han ikke kan bruke den til å gjøre Mars beboelig? Men etterhvert har jeg fått motforestillinger: Mars er en unik verden. 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 du må fylle opp atmosfæren med ei passelig blanding av oksygen og nitrogen til du får et atmosfæretrykk omtrent som her hjemme, sånn at vi kan puste i den. Tyngdekraften kan du ikke gjøre noe med: Har du bodd noen år i en verden med 38 % av den tyngdekraften 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.

Astronomene opererer med noe de kaller «svartlegemetemperaturen»; det er den gjennomsnittstemperaturen en planet ville ha hvis det ikke fantes en drivhuseffekt. Å regne ut Jordas svartlegemetemperatur er en standardoppgave de fleste som har studert termodynamikk på universitetsnivå har vært gjennom. Regner du 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, derimot, er 15 varmegrader. Forskjellen – 33 grader C – kommer av drivhuseffekten. Den skyldes at varmestråling fra bakken fanges opp av drivhusgasser i atmosfæren: Vanndamp, CO₂ , metan og diverse andre. Vanndamp er den aller viktigste; deretter følger CO₂. Det er disse to gassene vi må satse på hvis vi skal terraforme Mars.

La oss først finne ut hvor stor drivhuseffekt vi allerede har på Mars. Flere kilder oppgir at den er «neglisjerbar»; andre at den utgjør inntil 10 grader. Usikkerheten skyldes at det er svært vanskelig å beregne en middeltemperatur på et sted der det er langt mellom termometrene, og der temperaturene varierer voldsomt mellom dag og natt, mellom årstidene og mellom topografiske forhold. Men 0 kan den ikke være, for Mars har en atmosfære som består nesten bare av CO_{2 .} Trykket er bare 0,6 % av trykket på Jorda, men til gjengjeld består atmosfæren altså nesten utelukkende av en drivhusgass.

Mars har altså et partialtrykk fra CO₂ på 6 millibar, mot bare 0,4 på Jorda! Drivhuseffekten burde være formidabel der ute. Det ser det slett ikke ut til at den er. Hvordan kan det ha seg?

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 øker den logaritmisk med konsentrasjonen. Det betyr at hvis du dobler konsentrasjonen av en drivhusgass, så øker temperaturen bare med det samme som den økte med forrige gang du doblet konsentrasjonen: Fra 10 til 20 millibar av en gitt gass øker temperaturen kanskje med en halv grad. Da må du doble til 40 millibar for å få økningen opp i én grad tilsammen. Og du må doble igjen, til 80 millibar, for å få den opp i 1,5 grader. Og du må - -

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 tillegg 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: Det er mindre energi som skal stråles ut! Mars befinner seg 228 millioner kilometer fra Sola. Den mottar en strålingsfluks som bare utgjør 43 % av den vi mottar på Jorda. Den har mye mindre energi den trenger å stråle ut for å være i termisk likevekt. 

For det fjerde: På Jorda er vanndamp den viktigste drivhusgassen, og den fungerer som multiplikator på virkningen av CO₂. Det foregår slik: Når lufta blir litt varmere, for eksempel på grunn av at det blir mer CO₂ i atmosfæren, så stiger metningstrykket for vanndamp. Det blir mer vanndamp i lufta. Vanndamp er en kraftig drivhusgass, så det fører til en temperaturøkning som er større enn den opprinnelige økningen. (CO₂ ville ha fungert på samme måte dersom forholda var slik at klimaet var dominert av et verdenshav av CO₂, som gradvis gikk over i gassform når det ble varmere, og falt som sommerregn eller tørris når det ble kaldere. På et sånt sted ville du ikke bo - gjett hvorfor.) 

Det betyr at når vi får global oppvarming på Jorda på grunn av CO₂-utslipp, så skyldes størstedelen av økningen egentlig at det blir mer vanndamp i atmosfæren. I det temperaturområdet der vår planet befinner seg vil en økning i gjennomsnittstemperatur på 1 grad – uansett hva den skyldes! - gi en økning på ca 7 % vanndamp i atmosfæren. Så blir det et nytt regnestykke å finne ut hvilken temperaturøkning vi får av 7 % mer vanndamp. Deretter må du regne ut hvor mye mer vanndamp vi får i atmosfæren på grunn av denne økningen. Og deretter - -

Alt i alt ender de fleste som regner på sånne ting med å si at økningen på grunn av vanndamp blir (minst) dobbelt så stor som økningen på grunn av CO₂. Det finns forskere som er uenige: Meteorologen Roy Spencer hevder at økt skydekke på grunn av mer luftfuktighet kansellerer denne effekten. Blant klimaforskere har han ikke mange meiningsfeller. Klimaskeptikerne omfavner ham.

Forskjellige kilder sier at effekten av CO₂ aleine, altså før du regner med vanndamp som multiplikator, utgjør 10 til 20 % av temperaturøkningen. Det tilsvarer 3,3 grader til 6,6 grader. Så er spørsmålet: Hvor stor effekt har 15 ganger så høgt CO₂ -trykk hatt på Mars?

Noen kilder oppgir at gjennomsnittstemperaturen på Mars er 64 kuldegrader: De oppgir i virkeligheten svartlegemetemperaturen, og det er jo ikke den vi er ute etter. (Regn sjøl. Du bruker en formel som står som en påle i fysikken.) Eldre kilder oppgir ca 50 kuldegrader, hvilket ville tilsvare 14 grader oppvarming på grunn av drivhuseffekten. Jeg fester større lit til American Chemical Society, som publiserer materiale til bruk for framtidas kjemikere. De sier at observert gjennomsnittstemperatur er 58 kuldegrader. I så fall er virkningen av drivhuseffekten en temperaturøkning på 6 grader. (Se https://www.acs.org/content/acs/en/climatescience/energybalance/planetarytemperatures.html )

Det finns dissidenter. Den flittige klimabloggeren Clive Best (som beveger seg i utkanten av klimaskeptikernes pussige flokk) har utviklet en egen modell for drivhuseffekten. Denne modellen har han brukt til å finne en temperaturstigning på 2 grader på Mars! (Se http://clivebest.com/blog/?p=4374 ) Modellen hans består i at han deler opp atmosfæren i kuleskall, det ene utapå det andre, og så følger han de stakkars fotonene fra de forlater overflata og passerer det ene kuleskallet etter det andre – eller fanges opp, re-emitteres, og sendes videre. Jeg har ikke kunnskaper og tid til å finne feil ved modellen hans – men når han bruker den på Venus, så finner han også der at CO₂ svarer for bare en liten del av drivhuseffekten. Hm.

Som en forsiktig optimist holder jeg meg altså til American Chemical Society. Fra regelen om at virkningen av en klimagass stiger logaritmisk med konsentrasjonen finner jeg at for å øke temperaturen med 6 grader til, må jeg seksdoble CO₂ -konsentrasjonen – altså til 3,6 millibar. Og for å øke den med enda 12 grader, må jeg seksdoble den en gang til. Og enda en gang! (For nerder: ln(36) = 2*ln(6).)

Da er jeg oppe i en middeltemperatur på 40 kuldegrader – fortsatt 55 grader kaldere enn her på Jorda. Samtidig er CO₂ -konsentrasjonen kommet opp i nesten 150 millibar – eller 15 % av et normalt atmosfæretrykk.

To ting er feil med dette tallet. For det første finns det ikke så mye CO₂ tilgjengelig på Mars-overflata, ifølge en studie fra NASA-forskerne Jakosky og Edwards. (se https://lasp.colorado.edu/home/maven/files/2018/08/Inventory-of-CO2-available-for-terraforming-Mars.pdf ) De har reagert på et forslag fra Elon Musk (hvem ellers?) om å teppebombe polkalottene på Mars med atombomber for å få tørrisen til å fordampe, så vi kan få fortgang i arbeidet med terraforming. 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 bare for å få temperaturen opp i 40 minusgrader trenger vi 7,5 ganger så mye!

Men for det andre vil vi ha en atmosfære som folk kan puste i; det var mye av vitsen. Allerede ved 6 % CO₂ i lufta blir du forvirret og får dårlig syn, hørsel, motorikk. Ved 10 % besvimer du. Og ved 15 % går det verre. Vi kan altså ikke bare kjøre på med stadig mer CO₂, sjøl om det kunne skaffes.

Her på Jorda er det 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.

Vi er fornuftige og begrenser CO₂ -innholdet til 25 millibar, eller 2,5 %  av 1 atmosfære. Da kan vi fortsatt puste og overleve. - Ved 46 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 som tilsvarer 0,1 grad C.

Der du sitter og leser på verandaen din, i passe tørt og behagelig innlandsklima, ligger partialtrykket av vanndamp på 10-15 millibar. Og slikt blir det jo 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 dette heller, altså.

Mars har vært mye varmere. Det har vært elver og hav der, store hav der det kan ha myldret av liv. For to milliarder år sia kan det ha vært vel så trivelig på Mars som her på Jorda. Hva skjedde?

Solvinden skjedde. Uten magnetfelt 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. 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.

Jeg skriver dette mens Mars er i opposisjon til Sola. Det betyr at den er i minsteavstand til vår egen planet; bare 78 millioner kilometer. Når himmelen er klar, kan jeg se den fra verandaen over åsen – en rødlig planet som gløder rolig mellom de funklende stjernene. Nå som før lokker den på oss.

Vi kommer til å reise dit. Men vi kommer ikke til å klare å omforme den til det ugjenkjennelige etter vårt eget hode, for våre egne formål.

Mars er uovervinnelig.