Mars Terraforming: เรามาทำดาวอังคารให้มันอยู่ได้กันเถอะ

บทความนี้ มีที่มาคือเพื่อนผม อ.เดี้ยง แกเอาบทความของฝรั่งมาโพสใน Facebook เกี่ยวกับการปรับสภาพดาวอังคารให้อยู่ได้ ซึ่งจากบทความนั้น ถ้าหากเราจะอาศัยอยู่บนดาวอังคาร เรามีประเด็นปัญหาที่ต้องทำการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของดาวอังคารให้สามารถอยู่อาศัยได้ โดยต้องปรับความดันบรรยากาศ อุณหภูมิ รวมไปถึงการแก้ปัญหาการ สูญเสียของบรรยากาศออกจากดาวอังคารโดยอนุภาคที่มากับพายุสุริยะของดวงอาทิตย์ ทีนี้ ไอ้ผมก็เคยทำโมเดลภาวะ Greenhouse Effect ของโลกมาแล้ว และโมเดลนี้มันก็ปรับใช้กับดาวอังคารได้เสียด้วย ดังนั้นเราก็มาดูกันสนุกๆว่า ถ้าเราจะปรับบรรยากาศของดาวอังคาร ด้วยความรู้ของวิดสิวะเกรียนๆ บรรยากาศของดาวอังคารมันจะพออยู่ได้ไหม

รูปที่ 1: ดาวอังคารที่ผ่านการปรับสภาพแล้ว 

รูปจาก: http://www.acceleratingfuture.com/michael/blog/2009/01/terraformed-mars/

Terraforming คืออะไร

Terraforming เป็นการปรับสภาพดวงดาวให้มีลักษณะที่มนุษย์หรือสิ่งมีชีวิตจะอาศัยอยู่ได้ด้วยการปรับบรรยากาศ อุณหภูมิ สภาพพื้นผิว ระบบนิเวศน์ ให้มีลักษณะคล้ายโลก สำหรับสมบัติของการปรับสภาพนี้ อ้างอิงจากบทความ Planetary Engineering โดย James B. Pollack และ Carl Sagan นัก Astrophysics ชาวอเมริกัน ได้มีสรุปสภาพแวดล้อมที่เหมาะกับการดำรงอยู่ของมนุษย์ไว้ตามตารางข้างล่าง [1]

ตารางที่ 1: สมบัติของสภาวอากาศที่มนุษย์น่าจะอยู่ได้

เติมอากาศให้ดาวอังคาร

ดาวอังคารมีมวลน้อยกว่าโลกมาก โดยมีน้ำหนักดาวเพียง 10% และมีแรงโน้มถ่วงแค่ 3.7 m/s² [3] แรงโน้มถ่วงนี้ สมมุติว่าเรากระโดดได้สูง 30 เซนติเมตรบนพื้นโลก เราก็จะกระโดดได้สูง 80 เซนติเมตรบนดาวอังคาร (มันคงเป็นโลกที่น่าสนุกไม่น้อยที่ทุกๆคนจะสามารถทำไรเดอร์คิ๊กได้โดยไม่ต้องฝึกอะไรมาก) ความดันบรรยากาศ มันก็คือน้ำหนักของมวลอากาศที่กดมาบนพื้น ในกรณีของโลก ปริมาณอากาศที่ทำให้เกิดความดันบรรยากาศ 101.3 kPa บนพื้นโลกคือ 5 x 10¹⁸ [2] กิโลกรัม คำนวณได้จาก m = P.A/g ในกรณีของดาวอังคาร ดาวอังคารมีพื้นที่ 144 ล้านตารางกิโลเมตร (โลก 510 ล้านตารางกิโลเมตร) ถ้าต้องการความดันบรรยากาศเท่าโลก จะต้องใช้มวลอากาศคือ 4 x 10¹⁸ กิโลกรัม ซึ่งเป็นมวลเพียง 0.0006 % ของน้ำหนักดาวอังคาร ลึกลงไปภายใต้ผิวดาวอังคาร ในธารแมกม่าซึ่งอยู่ลึกลงไป ยังน่าจะมีธาตุออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน เพียงพอจะนำมาสร้างบรรยากาศขนาดนั้นได้

รูปที่ 2: ชั้นบรรยากาศของดาวอังคาร หลังการ Terraforming 

รูปจาก: http://motherboard.vice.com/blog/a-terraformed-mars-looks-like-this

ส่วนต่างของบรรยากาศของดาวอังคารกับโลก คือความหนาของบรรยากาศของดาวอังคารจะสูงกว่าโลกประมาณเกือบ 3 เท่า ตามสัดส่วนของขนาดดาว และการออกอวกาศ หรือเข้าสู่บรรยากาศของดาวอังคารจะมีประเด็นเรื่องแรงเสียดทานอากาศมากกว่า แต่ ณ ตอนนั้น เราก็คงขึ้นลงสู่อวกาศได้ด้วยการใช้ลิฟท์อวกาศแล้ว และสิ่งที่น่าสนใจคือ กรณีที่เราใช้บอลลูนฮีเลียมในการออกอวกาศจากโลก กรณีของดาวอังคาร บอลลูนฮีเลียมอย่าง Operation Stratos ของกระทิงแดง ความสูงของบอลลูนอาจไปได้ถึง 120 กิโลเมตรจากพื้นดาว ซึ่งเป็นระยะทางประมาณ 1 ใน 3 ถึง 1 ใน 4 ของระยะโคจรของ ISS เข้าไปแล้ว

เพิ่มอุณหภูมิของดาวอังคาร

รูปที่ 3: สภาพบรรยากาศ ของเมืองดาวอังคาร (เอ๊ะ นอกเรื่องรึเปล่าเนี่ย) 

รูปจาก: http://drawn-into-life.blogspot.com/2011/08/animemanga-genres-iyashikei.html

ตัวปัญหาต่อมาคืออุณหภูมิของดาวอังคาร ที่ปัจจุบันมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ – 65 ^oC[3] โดยเป็นผลจาก Albedo ของดาวอังคารเอง (ดาวอังคารมีค่าการสะท้อนแสงออกจากผิวดาวที่ 25% ของแสงตกกระทบ[4]) ดาวอังคารโคจรรอบดวงอาทิตย์ที่ระยะ 228 ล้านกิโลเมตร[3] (โลกอยู่ที่ 150 ล้านกิโลเมตร บ/ล ) ความเข้มของรังสีจากดวงอาทิตย์ ณ วงโคจรของดาวอังคารมีเพียง 600 W/m² (โลก 1400 W/m²) ซึ่งเป็นความต่างที่ยิ่งใหญ่มาก อุณหภูมิของดาวอังคารแทบจะเรียกได้ว่าเป็นอุณหภูมิ Black body เพราะบรรยากาศของดาวอังคาร ณ ปัจจุบันมีอยู่เพียง 0.6 kPa หรือ 0.6% ของโลก[3] ในกรณีที่เราใส่น้ำเข้าไป น้ำมีส่วนต่างการดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์ กับการดูดซับรังสีที่แผ่ออกจากโลกได้สูง ซึ่งถ้าเราให้มีน้ำในบรรยากาศของดาวอังคารใกล้เคียงกับโลกที่ 30000 ppm เราจะสามารถดึงอุณหภูมิเฉลี่ยของดาวอังคารขึ้นได้ประมาณ 30 องศา แต่ดาวอังคารก็จะยังมีอุณหภูมิเฉลี่ยที่ประมาณ -35 ^oC อยู่นั่นเอง

แม้ว่าอุณหภูมิดาวเฉลี่ยจะต่ำติดลบ แต่ก็ใช่ว่าเราจะมีชีวิตอยู่ไม่ได้ เพราะ ณ บริเวณเส้นศูนย์สูตร ดาวอังคารจะมีช่วงการรับแสงอาทิตย์สูงกว่าช่วงบริเวณขั้วโลก ซึ่งประเมินว่า อุณหภูมิเฉลี่ยบริเวณเส้นศูนย์สูตรจะอยู่ที่ 4 องศาเซลเซียส ตลอดช่วงกลางวันกลางคืน ซึ่งถ้ามีน้ำเป็นตัวดูดซับมากพอ (เช่นเราสร้างทะเลไว้ โดยมีเกลือเป็นตัว Anti freeze) อุณหภูมิช่วงกลางวัน กับกลางคืนก็จะยังไม่ต่างกันมากนัก แต่มันก็จะน่าสงสัยว่า ที่อุณหภูมิเฉลี่ย 4 องศาเซลเซียส บริเวณเส้นศูนย์สูตรนี้ มันจะพอทำให้เกิดการเคลื่อนไหวของ Water Cycle หรือไม่

รูปที่ 4: ความยาวคลื่นคลื่นที่แผ่จากดวงอาทิตย์กับคลื่นที่แผ่จากความร้อนของผิวดาวอังคาร

สำหรับอุณหภูมิสูงสุดในทางทฤษฎีที่เราจะยกอุณหภูมิของดาวอังคารขึ้นนั้น เราสามารถประเมินสภาพสูงสุดที่ Green House Gases สามารถยกอุณหภูมิให้สูงขึ้นได้สูงสุด โดยเราสมมุติให้ GHG นั้นๆ โปร่งใสต่อรังสีในช่วง Visible Light ขึ้นไปทั้งหมด ซึ่งในกรณีนั้น อุณหภูมิเฉลี่ยของดาวอาจอยู่ที่ประมาณ -23 ^oC และ อุณหภูมิบริเวณจุดเส้นศูนย์สูตรอาจสูงขึ้นมาถึงเฉลี่ย 24 ^oC แต่นั้นก็จะเป็นปัญหาอีกว่า แล้วอากาศที่มีก๊าซ สุดยอด GHG ที่โปร่งแสงต่อแสงอาทิตย์ ทึบแสงต่ออินฟราเรดอย่างสมบูรณ์นั้น มันจะเป็นอากาศที่มนุษย์จะหายใจได้หรือไม่ หรือบางที แทนจะใช้ก๊าซ เราอาจใช้ผลึกน้ำแข็งหรือผลึกละอองแอมโมเนียโปรยอยู่ในชั้นบรรยากาศในระดับเกือบสุดวงโคจรเพื่อเป็นตัวป้องกันการสูญเสียความร้อนจากการแผ่รังสีก็อาจทำได้

รูปที่ 5: Energy Budget กรณีที่เราดูดซับความร้อนด้วย GHG ได้เต็มประสิทธิภาพสูงสุด

ปัญหาสุดท้าย การป้องกันพายุสุริยะ

รูปที่ 6: เส้นแรงแม่เหล็กของโลกที่ต้านกับแนวสนามแม่เหล็กจากพายุสุริยะ 

รูปจาก: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Animati3.gif

พายุสุริยะคือตัวแปรสำคัญที่ทำให้ดาวเล็กๆแรงโน้มถ่วงน้อยๆสูญเสียบรรยากาศได้อย่างรวดเร็ว เราคงจะทราบว่า ที่โลก ความเร็วหลุดพ้นวงโคจรจะอยู่ที่ 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที แต่ที่ดาวอังคาร ความเร็วหลุดพ้นนั้นจะอยู่แค่ 5 กิโลเมตรต่อวินาที นั่นคือ การถูกกระแทก พาหลุด ของอากาศเมื่อปะทะกับอนุภาคที่มีความเร็วถึง 500 กิโลเมตรต่อวินาทีเฉลี่ย นั้นมีสูงมาก เกราะป้องกันพายุสุริยะนี้ สำหรับโลกของเรา มีสนามแม่เหล็กปกป้องอยู่ ซึ่งสนามแม่เหล็กของโลกนี้มีความเข้มถึง 25,000 nT (nano – Tesla)[5] โดยที่ความเข้มของสนามแม่เหล็กจากดวงอาทิตย์มีเพียง 50 nT หรือสูงสุด 250 nT ในกรณีของ Super Flare [6] ถ้าเราใช้ Inverse Square Law คำนวณ สนามแม่เหล็กของโลกจะอ่อนกำลังเท่าสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ก็ต้องที่ระยะ 6,000 ถึง 12,000 กิโลเมตร (และนี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ผมพูดถึงแนวคิดสนามแม่เหล็กจากดวงอาทิตย์ส่งผลถึงแผ่นดินไหว และพายุไซโคลน ที่ระดับความสูงไม่เกิน 10 กิโลเมตรจากพื้นโลกว่ามันเลอะเทอะ) 

รูปที่ 6: แนวปะทะรังสีจากพายุสุริยะของดาวอังคาร 

รูปจาก: http://spacespin.org/article.php/90955-marsis-data-reveal-new-method

แต่ในกรณีของดาวอังคาร สนามแม่เหล็กของดาวอังคารมีอยู่เพียง 1% ของโลก (หรืออาจน้อยกว่า)[7] ซึ่งคำนวณตาม Inverse square law แล้ว ความเข้มของสนามแม่เหล็กดาวอังคารจะอยู่ที่ระยะเพียง 1,000 กิโลเมตร แม้ว่าจะชดเชยการลดลงของความเข้มสนามแม่เหล็กจากดวงอาทิตย์ตามระยะวงโคจรของดาวอังคารแล้วก็ตาม ถ้าเป็นช่วงการเกิด Magnetic Storm ความเข้มของสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ก็จะเท่ากับความเข้มสนามแม่เหล็ก ณ ผิวดาวอังคารได้เลยทีเดียว นี่จึงเป็นเหตุผลให้บรรยากาศของดาวอังคาร ไม่มีอะไรปกป้องจากพายุสุริยะ หรือแม้แต่ปกป้องจากกระแสลมสุริยะตามปรกติได้ ได้มีการประเมินว่า ความต้องการของสนามแม่เหล็กของดาวอังคาร ก็คงจะต้องไม่ต่ำไปกว่าระดับของโลกที่ 25,000 nT ณ เส้นศูนย์สูตร เพื่อที่จะปกป้องการพัดบรรยากาศออกโดยพายุสุริยะ แต่วิธีการนั้นจะทำอย่างไร เราจะเติมพลังงานไปเพิ่มการไหลให้กับธารลาวาของแกนดาวอังคารได้ไหม หรือจะใช้วัสดุ ใช้ดาวเทียมวางบนวงโคจรสถิตย์ทำหน้าที่ Deflect พายุสุริยะได้หรือไม่ นั่นยังเป็นสิ่งที่ต้องหาคำตอบกันต่อไป

อ้างอิง

[1] http://www.uapress.arizona.edu/onlinebks/ResourcesNearEarthSpace/resources33.pdf

[2] สมบัติพื้นฐานของโลก: http://en.wikipedia.org/wiki/Earth

[3] สมบัติพื้นฐานของดาวอังคาร: http://en.wikipedia.org/wiki/Mars

[4] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103507003156

[5] Earth magnetic field: http://en.wikipedia.org/wiki/Earth's_magnetic_field

[6] Geomagnetic storm: http://en.wikipedia.org/wiki/Geomagnetic_storm

[7] http://www.psrd.hawaii.edu/May97/LowTempCarb.html

“You know you're in love when you can't fall asleep because reality is finally better than your dreams.” ― Dr. Seuss

ถ้าประโยคข้างบนเป็นจริงในชั่วชีวิตก็คงดีนะครับ กับโลกที่งดงามบนดาวอังคาร