Насколько нужно поднять давление на Марсе, чтобы человек мог обходиться без скафандра?
Тут есть два варианта.
1. Дыхание через кислородную маску.
2. Непосредственное дыхание марсианским воздухом.
В качестве критерия можно взять следующий фактор. Жидкости в организме находятся при температуре 37ºС. Кипению воды при температуре в 40ºС соответствует давление 55 мм рт.ст., что на Земле соответствует высоте 18 км. Таким образом, давление окружающей среды в любом случае быть не ниже 55 мм рт.ст.
Следует различать два случая. Случай пребывания в условиях марсианской атмосферы, вне жилых помещений без скафандра и случай пребывания в оранжереях и подсобных помещениях, где атмосфера отличается от стандартной. Эти случаи отличаются только составом атмосферы, поскольку в специальных помещениях она будет искусственной.
Пребывание при пониженном давлении предполагает совершение движений и работы, а не просто выживание. Во время восхождения альпинистов на вершину совершается тяжелая работа. Наибольшая высота, на которой люди активно работали на Земле соответствует высоте 8.8 км (Эверест). Альпинисты на такой высоте могут обходиться без кислородной маски, но тяжелая работа и длительное пребывание на такой высоте требует обязательного применения кислородной маски. Выжить на такой высоте можно, только совершая минимум движений. Таким образом, человек может жить при давлении соответствующем высоте около 9 км. На такой высоте давление воздуха всего 230 мм рт.ст. или в 3 раза меньше, чем на равнине. Видимо чуть более чем в три раза меньше и содержание кислорода. Примем парциальное давление кислорода на высоте в 9 км 55 мм рт.ст.
Итак, если бы атмосфера Марса состояла бы из чистого кислорода достаточно было бы давления в 55 мм рт.ст. При таком давлении вода уже не вскипает при температуре человеческого тела и кислорода должно хватить для простого поддержания жизненных функций. Однако минимальным считается давление чистого кислорода порядка 180 мм рт. ст. Чисто кислородную атмосферу на Марсе можно создать только в замкнутом объеме жилого помещения или скафандра.
Как показано выше для оранжерей достаточно будет создать искусственную атмосферу с давлением в 75 и более мм. рт.ст. и минимальным содержанием СО2, что позволит работать в таких условиях без скафандра, а только с кислородной маской. Понятно, что это минимальное требование для жизни растений.
Создание больших площадей оранжерей или лучше назвать их теплицами потребует больших объемов капитального строительства. Поскольку численность колонии связана с общей потребной площадью теплицы (оранжереи), а это определяет объем строительных работ, что в свою очередь связано с составом атмосферы и внутренним давлением. Более подробно об этом рассказано в разделе о строительстве на Марсе. Поэтому не обязательно состав атмосферы и давление в нежилых помещениях будет такой же как и в жилых помещениях.
Предположим с помощью растений удастся поднять содержание кислорода в атмосфере Марса до парциального давления превышающего 55 мм рт.ст. Очевидно, что из чистого кислорода пусть даже при низком давлении атмосфера состоять не может. Высокая концентрация кислорода не просто опасна, она и не возможна, так как кислород неизбежно будет связываться в результате химических реакций. Для ограничения этого процесса нужен буферный газ. Роль такого буферного газа на Земле выполняет азот. В условиях Марса таким буферным газом может быть тот же азот и аргон. В качестве буферного газа в небольших количествах в атмосфере может содержаться и метан.
Создать парциальное давление кислорода в атмосфере Марса выше 55 мм рт. ст. это только одна часть задачи терраформации. Другая проблема наличие СО2. Известно, что превышение 4% СО2 в воздухе приводит к отравлению людей и животных. Поэтому в идеальном случае СО2 в атмосфере Марса не должно быть больше 4%. Поэтому главная проблема окончательного этапа терраформации даже не проблема создание кислородной атмосферы, а проблема связывания избытка углекислоты и наполнения атмосферы взамен углекислоты буферным газом.
В настоящее время в атмосфере Марса содержится 95% СО2, но даже если из всей углекислоты выделить кислород, его будет мало, всего 3 мм рт.ст., а необходимо как минимум >55 мм рт.ст. Следовательно для обеспечение минимума по кислороду нужно выделить из полярных шапок, освободить из окислов или доставить извне более чем десятикратный объем газов по сравнению с тем, что ныне находится в атмосфере Марса. Потом это газ содержащий много СО2 нужно переработать и очистить. Это уже работа для растений, рассчитанная на сотни лет.
Но и этого мало. Надо где-то взять буферный газ, поскольку своих запасов азота или аргона на Марсе крайне мало.
На Земле большие объемы СО2 из атмосферы растворяет океан. Для Марса этот путь не эффективен. Газов и так мало. Растворение СО2 в марсианском океане приведет только к снижению общего давления. Снижение давления и содержания СО2 приведет к уменьшению парникового эффекта, начнется новый ледниковый период. Все опять замерзнет. Правда растворенный в водоемах СО2 водоросли могут переработать в кислород, как это они делают на Земле. Наличие же паров воды в атмосфере поддержит парниковый эффект, но больше пара в атмосфере появится, только если средняя температура будет выше. Получается замкнутый круг или иначе саморегулирующаяся система.
Поводя итоги можно сделать выводы. На Марсе теоретически возможно создать условия для жизни там земных растений, а возможно и некоторых насекомых. Для этого необходимо поднять давление до 75 мм. рт.ст. (примерно в 15 раз) и температуру чуть выше нуля. Такое давление позволит и человеку в специальном костюме и кислородной маске некоторое время, а возможно и длительное время пребывать на Марсе без скафандра. На Земле такое давление соответствует высоте в 16 км.
Однако это возможно при достаточно больших запасах замерзшей углекислоты, которую следует испарить в результате техногенной деятельности. Если углекислоты недостаточно, то на Марс придется доставлять газы извне, что сделает терраформацию очень длительной и очень сложной задачей.
Как альтернатива – создание специфических растений или микроорганизмов способных выживать в марсианских условиях и способных постепенно преобразовывать атмосферу и грунт в нужном для дальнейшей терраформации направлении.
Понятно, при доставке на Марс необходимых масс газов можно создать атмосферу любого состава, но это поистине титаническая работа.
Грубо оценим необходимый минимум для выживания людей без дыхательных приборов на поверхности Марса. Пусть парциальное давление кислорода хотя бы 55 мм рт.ст. Давление буферного газа в два – три раза больше или 150 мм. рт.ст. Пусть это смесь азот, аргон и возможно метан.
Всего примерно давление такой атмосферы примерно 200 мм рт.ст., что очень близко к давлению на Эвересте. Всю углекислоту связали растения и остаточная концентрация СО2 пусть не больше 1-2%.
Примерный состав: 25% - О2, 30% - азот, 40% - аргон, 2 % - метан и 2% - СО2. Наверно таким воздухом можно дышать. Соотношение буферных газов может быть иным.
Сейчас суммарный объем газов в атмосфере Марса обеспечивает давление в 4.6 мм рт.ст. или в почти в 40 раз меньше. Иначе, для создания подходящей для выживания (не проживания!) атмосферы на Марс надо испарить из полярных шапок или привести извне примерно 40 объемов нынешней атмосферы. Оценка грубая, поскольку давление зависит от температуры и при более высокой температуре потребный объем будет меньше. Примерно 30 объемов.
Тем не менее, объемы огромные. Поэтому полная терраформация Марса дело очень и очень отдаленного будущего.
Более реально только повышение давления и температуры выше критического давления соответствующего тройной точке воды.
