Inżynieria środowisk planet wyzwaniem III tysiąclecia

W minionym ćwierćwieczu udane misje astronautyczne automatycznych sond międzyplanetarnych do ciał Układu Słonecznego przyczyniły się do ogromnego wzrostu informacji o warunkach fizycznych i środowiskowych panujących na tych obiektach. Również obserwacje prowadzone z powierzchni Ziemi, a ostatnio także za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble'a (HST) przyczyniły się poważnie do zwiększenia wiedzy o całym naszym układzie planetarnym. Powstała już meteorologia porównawcza, planetografia, a nawet planetologia porównawcza (inaczej „geologia kosmiczna”). Nie ulega zatem wątpliwości, że w XXI wieku badania naszego układu planetarnego przemieszczą się z dziedziny astronomii i astrofizyki do dziedziny szeroko pojętych „nauk o Ziemi”, zwłaszcza wobec planów zorganizowania „niebawem” pierwszych lotów załogowych na Marsa.

W tej sytuacji konieczne staje się opracowanie strategii dalszych badań również w zakresie sozologii (porównawczej), a w szczególności — nad porównaniem środowisk atmosferycznych innych ciał Układu Słonecznego, których dokładne poznanie ma niebagatelne znaczenie dla zrozumienia ewolucji i stanu atmosfery ziemskiej. Już w chwili obecnej poznanie charakterystyk atmosfery Wenus i Marsa pozwoliło na wyciągnięcie istotnych wniosków co do przyszłości atmosfery Ziemi, zwłaszcza wobec negatywnego wpływu na nią działalności człowieka (efekt cieplarniany, zapylenie atmosfery).

Problem stanu środowiska na powierzchni planet i księżyców typu ziemskiego ma ponadto istotne znaczenie w poszukiwaniu życia pozaziemskiego, co w ostatnich latach stało się zauważalnym trendem nauk biologicznych. Jak dotąd wskazywane są dwa ciała kosmiczne, na których — oprócz Ziemi — mogłoby pojawić się życie: Mars i Europa (księżyc Jowisza). Pozytywna weryfikacja hipotezy o możliwości występowania życia i biosfery nie tylko na Ziemi miałaby oczywiście doniosłe znaczenie dla rozwoju biologii jako nauki, a także dla dalszych rozważań nad problematyką SETI (poszukiwania cywilizacji pozaziemskich).

Bliższe poznanie środowiska na powierzchni innych planet jest konieczne również ze względu na projektowane do nich załogowe wyprawy astronautyczne już w nadchodzącym XXI stuleciu, a to w celu zapewnienia im bezpieczeństwa w warunkach całkowicie odmiennych od ziemskich oraz zaplanowania i prowadzenia szczegółowych obserwacji, badań i eksperymentów (fizycznych, chemicznych, planetograficznych, „geologicznych”, biologicznych).

Natomiast opanowanie środowiska planet wiąże się z daleko zakrojonym, lecz już poważnie rozważanym na III tysiąclecie projektem przyszłościowej inżynierii planetarnej w celu tzw. terraformowania innych ciał kosmicznych typu ziemskiego dla potrzeb przyszłych kolonistów. Jest oczywiste, iż tak ogromne przedsięwzięcie będzie możliwe do urzeczywistnienia tylko siłami całej naszej planety, więc i nauka polska powinna w nim znaleźć swoje miejsce, nawet jeśli czas jego realizacji jest jeszcze nader odległy i kryjący w sobie wiele niewiadomych, niemożliwych obecnie do uwzględnienia.

Przedstawione zatem zostaną szerzej rozważania nad wstępnymi projektami inżynierii środowisk planetarnych dla terraformowania innych światów.

W Układzie Słonecznym istnieją cztery planety typu ziemskiego — Merkury, Wenus, Ziemia i Mars — których rozmiary względne, z zachowaniem skali, zostały przedstawione na rys. 1. Pokazano na nim również nachylenia ich osi rotacji do płaszczyzn ich orbit wokółsłonecznych oraz podano okresy rotacji i czas trwania doby słonecznej na każdej z tych planet. Spośród owych planet tylko na Ziemi istnieje życie i cywilizacja. Z pozostałych trzech — Merkury zbyt blisko (najbliżej) obiega Słońce i ma zbyt małą masę, żeby mógł być wzięty pod uwagę w ewentualnych projektach inżynierii planetarnej. A zatem obiektami terraformowania mogą stać się na razie jedynie Wenus oraz Mars.

Wydawać by się mogło na pierwszy rzut oka, iż bliźniaczo podobna do Ziemi — przynajmniej pod względem rozmiarów i masy — Wenus, znajdująca się bliżej Słońca, a więc „cieplejsza”, jako pierwsza powinna zostać poddana przekształceniu środowiska w celu umożliwienia jej przyszłej kolonizacji. Jednak porównanie warunków fizycznych panujących na tych planetach, co przedstawia tabela 1 (wykluczająca od razu z rozważań Merkurego — np. doba słoneczna na nim trwa dwa lata merkuriańskie, a dobowe wahania temperatury dochodzą do niemal… 600°C) wskazuje, iż warunki te na powierzchni planety Wenus oraz w jej atmosferze są nader osobliwe i zgoła nieprzyjazne człowiekowi: ogromne ciśnienie, bardzo wysoka temperatura (a więc zbyt ciepło!), ewentualne deszcze gorącego kwasu siarkowego, niewspółmiernie w porównaniu z Ziemią długa doba słoneczna, brak nie tylko otwartych zbiorników wodnych, ale na dobrą sprawę także pary wodnej — nad wyraz utrudni terraformowanie Białej Planety, dawniej wzniosłego symbolu bogini miłości, lśniącej i „czystej”, która niespodzianie okazała się — obrazowo mówiąc — „pomarszczoną diablicą, potwornie cuchnącą i gorącą”.

Natomiast mniejsza od Ziemi i obiegająca w dalszej odległości Słońce Czerwona Planeta przynajmniej pod dwoma innymi względami okazała się analogiem Ziemi. Oś rotacji Marsa jest nachylona do płaszczyzny jego orbity pod takim samym prawie kątem jak oś obrotu Ziemi do płaszczyzny ekliptyki, tak iż na Marsie występują te same strefy klimatyczne i te same pory roku, tyle że są one prawie dwukrotnie dłuższe. W dodatku doba słoneczna na Marsie niewiele różni się od doby ziemskiej, co już na wstępie stanowić może o pewnym komforcie psychicznym dla ludzi przeniesionych na tę planetę. Ponadto — i co chyba najważniejsze — okazało się, że na Marsie trwa ta sama wielka epoka lodowcowa (tyle tylko, że w dwójnasób mroźniejsza), która na Ziemi zakończyła się około 12000 lat temu. Wychłodzenie atmosfery Marsa spowodowało wymrożenie w niej wody i pary wodnej (a częściowo i dwutlenku węgla), która w postaci lodu (oraz suchego lodu) została uwięziona w rozległych czapach polarnych tej planety i w wiecznej zmarzlinie na jej powierzchni. Niegdyś jednak ciśnienie atmosfery marsjańskiej było zbliżone do ciśnienia powietrza na Ziemi i na powierzchni Czerwonej Planety istniały otwarte akweny oraz płynęły rzeki, czego dowodem są liczne, widoczne na zobrazowaniach, wyschnięte, meandrujące koryta. A zatem terraformowanie Marsa może okazać się łatwiejsze niż analogiczna operacja przeprowadzana na Wenus. „Wystarczy” niejako spowodować zakończenie na Marsie wielkiej epoki lodowcowej, doprowadzić do ocieplenia się jego klimatu oraz odtworzenia w miarę gęstej atmosfery. Jak się już to obecnie wydaje, będzie się tego można podjąć nawet w niezbyt odległej przyszłości — być może w XXII wieku! Scenariusze inżynierii planetarnej przewidują dostarczenie na Marsa dodatkowej wody w postaci niewielkich lodowych planetoid — niewykluczone, iż krążących w jego sąsiedztwie, ogrzanie jego powierzchni dzięki umieszczeniu na stacjonarnej orbicie tej planety ogromnych luster zwiększających nasłonecznienie, a dalej ocieplenie będzie następowało z powodu efektu szklarniowego wzmożonego obecnością w atmosferze pary wodnej (ze stopionych lodowych planetoid). Następnie będzie należało wprowadzić do atmosfery i na powierzchnię Czerwonej Planety szereg mikroorganizmów zdolnych do fotosyntezy, tak aby w atmosferze marsjańskiej mógł pojawić się wolny tlen cząsteczkowy (będzie można go też zresztą uzyskiwać z rozkładu dostarczanej wody na tlen i wodór). W ostatecznym efekcie powinno się doprowadzić do powstania dość gęstej atmosfery (co najmniej takiej samej, jak na płaskowyżu tybetańskim, gdzie przecież żyją ludzie) o zawartości około 25% tlenu (aby łatwiej było oddychać), około 5% dwutlenku węgla (żeby podtrzymywać efekt cieplarniany niezbędny ze względu na oddalenie Marsa od Słońca), około 5% argonu (by ciężar cząsteczkowy przekształconej atmosfery był większy, co będzie przeciwdziałało jej ulatnianiu się w przestrzeń), zaś pozostałe około 65% składu tej atmosfery będzie zapewne stanowił azot. Następnie dzięki tej trudnej przecież, skomplikowanej i rozłożonej na stulecia inżynierii środowiska planetarnego Marsa (kiedy ludzie — uczeni i technicy — będą mieszkać w hermetycznych bazach, prowadząc prace nad jego terraformowaniem) zaczną znowu na jego powierzchni płynąć rzeki, pojawią się morza, chociaż niezbyt rozległe, potem — glony i prosta roślinność lądowa, wreszcie kwitnące prerie, sawanny i nawet… lasy. Na początek następnego jeszcze tysiąclecia, „kiedyś” po roku 3000, przewiduje się początek wielkiej kolonizacji Czerwonej Planety, poczynając od jej okolic podzwrotnikowych. Po kilku pokoleniach powstanie zapewne nowa odmiana gatunku ludzkiego — człowiek marsjański…

Nie wyrzeknie się przecież człowiek również i Wenus, ale w jej przypadku projekty terraformowania przewidują proces rozciągnięty nie na stulecia, ale na tysiąclecia, a — być może — będzie on trwał aż… 25000 lat. Trzeba będzie bowiem i wychłodzić atmosferę oraz powierzchnię Białej Planety, i dostarczyć jej wody (z lodowych planetoid, komet bądź z układu pierścieni Saturna), a także czystego wodoru (np. z atmosfery Saturna lub Urana), wprowadzić mikroorganizmy zdolne do fotosyntezy, wreszcie — co będzie najtrudniejsze — przyspieszyć rotację Wenus, tak aby doba słoneczna na jej powierzchni wynosiła co najwyżej kilkadziesiąt godzin. Być może uda się to uczynić umiejętnym (pod stosownym kątem i z odpowiedniego kierunku) wstrzeliwaniem przez równie odpowiednio długi czas w powierzchnię Wenus na jej równiku owych, sprowadzanych z dala lodowych planetoid — spełniałyby one wtedy potrójne zadanie: wychładzałyby atmosferę tej gorącej planety, dostarczałyby wodę i przyspieszały rotację globu wenusjańskiego. Dopiero potem — po obniżeniu temperatury atmosfery poniżej 100°C, można byłoby wprowadzać na Wenus, na terenach płaskowyżów okołobiegunowych, drobnoustroje zdolne do aktywnej fotosyntezy.

Terraformowanie Wenus — które miałoby się rozpocząć po roku 2500 — stałoby się bez najmniejszego wątpienia zadziwiającym przedsięwzięciem inżynierii środowiska planetarnego. Ludzie, którzy ją rozpoczną, nie zobaczą nawet wstępnych efektów swej ogromnie trudnej pracy. Być może w rezultacie mozolnych robót inżynierskich wielopokoleniowej sztafety uczonych i techników wyłoni się powoli nowy obraz Wenus — nie mniej fantastyczny od dawnych fantazji naukowych: ziemiopodobna, nadająca się do zamieszkania planeta, zbliżona masą, grawitacją i rozmiarami do naszego globu. A co utracimy w wyniku radykalnego przekształcenia obecnego środowiska na Wenus? Unikatowy w swoim rodzaju w Układzie Słonecznym świat — i to nader egzotyczny, chociaż całkowicie nieprzydatny do jakiegokolwiek życia.

I o ile kolonizację Marsa rozpoczniemy najprawdopodobniej od nizinnych okolic przyrównikowych, to kolonizację Wenus — jeśli kiedyś w odległej przyszłości do tego dojdzie — rozpoczniemy od wyniosłych płaskowyżów obszarów podbiegunowych.