Когда человечество наконец доберется до Марса, оно столкнется с миром, крайне негостеприимным для жизни. Средняя температура на поверхности Красной планеты составляет -55 °C, а в периоды пылевых бурь может опускаться до -125 °C. Атмосфера здесь разрежена и почти полностью состоит из углекислого газа, вся вода заморожена, а отсутствие озонового слоя делает поверхность уязвимой для жесткого солнечного излучения. Первым поселенцам, вероятно, придется жить под землей, пока, возможно, однажды Марс не будет терраформирован, чтобы стать более пригодным для хрупких людей.
Дискуссии о терраформировании Марса ведутся давно, и одним из первых предложений было усиление парникового эффекта за счет таяния полярных шапок из CO₂. Илон Маск, например, предлагал использовать непрерывные ядерные взрывы с низким уровнем радиоактивных осадков для создания искусственных солнц. Однако исследование 2018 года раскритиковало эту идею, показав, что она способна поднять парниковый эффект с естественных 5 °C до максимум 10 °C, что недостаточно для достижения стабильной жидкой воды на поверхности, для чего необходимо потепление на 30 °C или более.
В последние годы ученые предложили альтернативный метод — использование аэрозолей, создающих принудительное инфракрасное излучение, которое нагревает поверхность. Но предыдущие модели были слишком упрощенными: они предполагали, что распределение аэрозолей статично, и не учитывали их движение и динамическое поведение.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Geophysical Research Letters, группа ученых из США, Великобритании и Бразилии представила глобальную трехмерную модель, отслеживающую выброс частиц в атмосферу Марса. Моделирование выявило сильные радиационно-динамические обратные связи. Ученые обнаружили, что частицы, поднимаемые локально, переносятся по всей планете, и эти обратные связи могут сделать возможным нагрев с помощью инженерных аэрозолей.
В исследовании рассматривались два типа частиц: диски из графена диаметром около 250 нанометров и алюминиевые стержни длиной около 8 микрон и диаметром 60 нанометров. Оба материала поглощают и рассеивают тепловое инфракрасное излучение, исходящее от поверхности планеты. Хотя эти материалы не были оптимизированы для максимального нагрева, они по замыслу имеют гораздо более сильное взаимодействие с тепловым ИК-излучением, чем с солнечным светом.
Модель, разработанная под руководством Марка И. Ричардсона из Aeolis Research (Аризона, США), показала, что единый непрерывный источник аэрозолей (в модели рассматривался выброс от 0 до 60 литров в секунду) стабильно насыщает атмосферу по всему миру менее чем за четыре марсианских года (7,5 земных лет). Исследователи также включили в расчеты переменный фон естественной пыли, которая также участвует в радиационном взаимодействии, используя данные наблюдений за относительно бесштормовой период на планете.
Ключевым результатом стала временная эволюция глобальной средней температуры поверхности при выбросе ИК-активных алюминиевых частиц. Начав с интенсивности 3 литра в секунду в день весеннего равноденствия северного полушария и продолжив в течение пяти марсианских лет, а затем увеличив выброс до 60 литров в секунду, ученые зафиксировали резкий скачок температуры. Примерно через восемь марсианских лет температура поднялась на 3–4°C выше исходного уровня, а затем резко выросла примерно на 25°C. Спустя около 15 лет температура стабилизировалась на уровне потепления примерно в 35°C. Этого достаточно, чтобы на поверхности Марса существовала жидкая вода.
Модель показала, что процесс потепления лишь умеренно зависит от сезона на Марсе, варьируясь в пределах ±5 °C. Если бы выброс аэрозолей был прекращен непосредственно перед резким скачком температуры, атмосфера вернулась бы к исходному состоянию всего за четыре марсианских года.
Авторы исследования подчеркивают, что их работа затрагивает лишь некоторые аспекты влияния выброса ИК-активных частиц на климат Марса. Многие вопросы остаются открытыми, включая обратные связи с водным циклом и методы предотвращения агрегации (слипания) самих частиц. Потепление нижних слоев атмосферы выше точки замерзания воды приведет к появлению водяного пара, который сам является парниковым газом и может усилить нагрев. Однако существует и риск того, что аэрозоли могут стать ядрами конденсации льда или облаков, что приведет к их выпадению из атмосферы. Кроме того, усиление приповерхностных ветров способно поднимать больше пыли в воздух, создавая положительную обратную связь. Как и в моделях земного климата, атмосферные аэрозоли демонстрируют сложные взаимодействия, требующие дальнейшего изучения.