زمین و مریخ 1 - جواهری نادر و تضادی شدید

سردبیر

بسم الله الرحمن الرحیم

زمین و مریخ 1

جواهری نادر و تضادی شدید

مقایسه زمین و مریخ

چالش‌های زمین‌سازی مریخ، طراحی هوشمند زمین را برجسته می‌کند

این مطلب ترجمه ای است از دکتر اریک هدین، فیزیک‌دان:

هنگامی که ویژگی‌های سیاره ها را در منظومه شمسی در نظر می‌گیریم، شاهدی قوی بر ویژگی‌های چشمگیر زمین به‌عنوان سیاره‌ای می‌یابیم که نه تنها انسان‌ها، بلکه میلیون‌ها گونه دیگر از حیات را به صورت یک اکوسیستم متنوع و به هم پیوسته در پناه خود نگه می‌دارد.

فهرست کوتاهی از الزامات قابل سکونت برای انسان شامل اصول اولیه هوا، آب و غذا است. زمین اینها را به وفور دارد. از سوی دیگر، مریخ یک بیابان یخ زده، تقریباً بدون هوا و برهوت است که در معرض تابش شدید خورشید قرار دارد. تبدیل مریخ به یک زیستگاه پایدار، بسیار بیشتر از آوردن موجودات زنده به مریخ است. من چندین مورد از این اصول اولیه سکونت‌پذیری را بررسی می‌کنم، مریخ را با سیاره خود مقایسه می‌کنم و به شرایط زیربنایی که منجر به محیط نامناسب کنونی مریخ شده است، نگاهی می اندازم.

خطرات عمده زیستی

یکی از مخاطرات زیستی عمده در مریخ از تشعشعات فرابنفش ساطع شده از خورشید خود ما ناشی می شود:

شار فرابنفش امروزی مریخ... محدودیتی برای موجودات زنده‌ی سازگار نشده است و به سرعت میکروب‌های فضاپیما را که توسط لایه غبار مریخ پوشانده نشده اند، از بین می برد. (1)

از آنجایی که مریخ حدود 50 درصد دورتر از زمین از خورشید می چرخد، شدت تابش خورشیدی که به مریخ می رسد، در مقایسه با زمین، بیش از دو ضریب کاهش می یابد. دلیل نابود شدن توسط شار فرابنفش خورشید در مریخ ناشی از اتمسفر نازک مریخ است که فاقد لایه اوزون است.

جو مریخ تقریباً تماماً دی اکسید کربن است و تقریباً بدون اکسیژن است؛ و بسیار نازک است - فقط حدود 1٪ چگالی زمین.

مرگ در مریخ

همه ما با این واقعیت آشنا هستیم که خورشید، تابش فرابنفش ساطع می کند، اما ممکن است متوجه نباشیم که چقدر از این تابش توسط جو زمین مسدود شده است. مقداری که به سطح زمین می رسد کسری از شار UV است که از خورشید ساطع می شود. کوتاه‌ترین و خطرناک‌ترین طول موج‌های فرابنفش در اتمسفر بالای زمین، عمدتاً توسط ازن (O3 ) مسدود می‌شوند. مطالعات بیولوژیکی در مورد کشندگی اشعه ماوراء بنفش، طول موج های خاصی را در محدوده طیفی به نام UVC شناسایی کرده اند که به آسانی DNA سلولی را مختل می کنند.

پرتو فرابنفش در طول موج 250 نانومتر بالاترین توانایی کشتن سلولی را نشان داد، با دوز کشنده متوسط (LD50) 120 mJ/cm 2 ، و DNA ای که حداکثر تابش را در طول موج های 245 تا 290 نانومتر جذب می کند، یکی از اهداف اصلی سلولی برای اشعه ماوراء بنفش است. UVC (200-280 نانومتر) به دلیل طول موج خود که در محدوده اوج جذب DNA قرار دارد، در القای آسیب به DNA بدترین است. (2)

توجه داشته باشید که تابش خطرناک UVC به دلیل جذب در جو ما، در درجه اول توسط لایه ازن استراتوسفر، نمی تواند به سطح زمین برسد. حیات روی زمین تحت پوشش محافظی وجود دارد که در مریخ اصلا وجود ندارد. ما می‌توانیم با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری‌شده از تابش خورشیدی در مدار زمین و تنظیم شدت برای مریخ، که در فاصله‌ای 1.52 برابر دورتر از خورشید می‌چرخد، تخمین بزنیم که وضعیت تشعشعی در مریخ چقدر است.

تابش خورشید در مدار زمین تقریباً 1000 میلی‌وات بر متر مربع نانومتر در محدوده 245 تا 290 نانومتر است. برای این محدوده طول موج فرابنفش، مطالعات نشان می‌دهد که دوز کشنده متوسط حدود 220 میلی‌ژول بر سانتی‌متر مربع است (3)، که طبق محاسبه‌ی من اگر جو زمین این اثر محافظت کنندگی را نداشت، زمان لازم برای مرگ سلول‌های در معرض دوز کشنده، در حدود 1 دقیقه بر سطح زمین بود و این حالت برای مریخ، فقط کمتر از 2 دقیقه طول می‌کشد.

اتمسفر نازک و عمدتاً CO2 مریخ هیچ گونه محافظتی در برابر اشعه ماوراء بنفش در محدوده طول موجی که برای حیات سلولی مضر است، ارائه نمی دهد. همان طور که در یکی از متون نجومی که قبلاً از آن آموزش می دادم، آمده بود که یک فرد محافظت نشده در مریخ قبل از اینکه به خاطر کمبود اکسیژن بمیرد، به خاطر دوز کشنده اشعه ماوراء بنفش می‌میرد.

قابل سکونت پذیر کردن مریخ توسط انسان

در مورد قابل سکونت کردن مریخ چطور؟ وین بیلن Sven Bilén، پروفسور طراحی مهندسی، مهندسی برق و مهندسی هوافضا در پِن استِیت، روی "توسعه فن آوری برای گسترش حضور انسان در فراتر از زمین" کار می کند. در مقاله‌ای اخیر ، او در مورد چالش‌های مهندسی که ما در تلاش برای تبدیل مریخ به سیاره‌ای قابل سکونت برای بهره‌برداری انسان‌ها با آن مواجه خواهیم بود، بحث می‌کند.

پروفسور بیلن پیشنهادهای مختلفی را برای افزایش چگالی جوی مریخ نقد می کند. استفاده از انفجارهای هسته‌ای برای ایجاد فوران‌های آتشفشانی و انتشار گازهای به دام افتاده، این نظر را به همراه دارد که «این طرح کمی نابخردانه است»، به دلیل آسیب‌های آشکاری که برای سکونت ناشی از ریزش رادیواکتیو هسته‌ای ایجاد می‌کند. "ایده بهتر" او "تغییر مسیر دنباله دارها و سیارک های غنی از آب برای برخورد به مریخ" است. با این حال، انجام تعداد کمی از این بمباران ها کفایت نمی کند و نیز نیاز به تلاش و هزینه هنگفتی دارد.

اما یک مشکل بزرگ‌تر وجود دارد، و آن توجه به علت اصلی رقیق بودن جو مریخ است. صرفاً تلاش برای دوباره پر کردن جو مریخ بدون توجه به شرایط سیاره که منجر به از دست دادن آن در وهله اول شد، مانند تلاش برای پمپ کردن یک تایر پنچر شده بدون رفع نشتی آن است.

تلاش برای «راه‌اندازی مجدد» قابلیت سکونت مریخ با متراکم‌تر کردن جو ، تنها یک پروژه یک بار مصرف و یک راه‌حل گذرا خواهد بود، زیرا شرایطی که منجر به از دست دادن جو اولیه مریخ شد هنوز هم وجود دارد. دو وضعیت در از دست دادن جو مریخ دخیل است، و این دو مربوط به اندازه کوچک مریخ (نصف قطر زمین) و جرم کم آن (1 دهم جرم زمین) است.

مدت زمانی که یک سیاره طول می کشد تا با از دست دادن تشعشعات حرارتی در فضا خنک شود، با مساحت سطح آن نسبت معکوس و با جرم حرارتی آن نسبت مستقیم دارد. مساحت سطح مریخ حدود 4 برابر کمتر از زمین است، اما جرم حرارتی آن تقریباً 10 برابر کمتر از سطح زمین است، که نشان می دهد داخل مریخ 2.5 برابر سریعتر از زمین سرد می شود.

عوامل دیگری مانند درصد عناصر رادیواکتیو در هسته آن نیز تعیین می کنند که هسته سیاره چه مدت می تواند داغ بماند. چگالی متوسط زمین 40 درصد بیشتر از چگالی مریخ است و دانشمندان را به این باور رسانده است که زمین دارای فراوانی قابل توجهی از عناصر سنگین و رادیواکتیو است. انرژی تجمعی آزاد شده از فروپاشی رادیواکتیو این عناصر به گرم نگه داشتن هسته زمین به اندازه کافی برای حفظ فعالیت تکتونیکی و یک میدان مغناطیسی محافظ کمک کرده است. (4)

از دست دادن اتمسفر مریخ به دلیل عدم وجود میدان مغناطیسی محافظ است .

خاموش شدن میدان مغناطیسی مریخ، به باد خورشیدی شامل ذرات پرانرژی و نور شدید فرابنفش اجازه داد تا جو را از بین ببرد - و با آن مقدار زیادی آب از دست رفت. محصول نهایی، فضای نازک و سرد امروزی بود.

مشکلات جبران ناپذیر

علاوه بر فقدان میدان مغناطیسی در مریخ، جرم کم آن باعث گرانش کم قدرت تر می شود، و توانایی گرانش را برای نگه داشتن گازهای جوی، ضعیف می کند. ما نمی توانیم جرم مریخ را 10 برابر کنیم تا مانند جرم زمین شود. بنابراین، جرم کم مریخ، که منجر به گرانش کمتر و هسته خنک‌شده بدون میدان مغناطیسی سیاره‌ای می‌شود، مشکلی غیرقابل جبران است.

میدان مغناطیسی زمین که توسط هسته‌ای که هنوز به اندازه سطح خورشید داغ است حفظ می‌شود، به عنوان یک سپر مغناطیسی ضروری عمل می‌کند و از جو ما در برابر پراکنده شدن از طریق بمباران مداوم پرتوهای کیهانی و باد خورشیدی محافظت می‌کند. مریخ به دلیل شرایط اولیه متفاوتش سرنوشت متفاوتی داشت.

هنگامی که یک سیاره سرد می شود، فعالیت زمین‌ساختی (تکتونیکی) آن نیز متوقف می شود. بدون فعالیت زمین‌ساختی (مخصوصاً فوران های آتشفشانی)، مریخ فرآیند مهمی را برای پر کردن گازهای جوی از دست می دهد.

چالش دیگر، فقدان خاک قابل کشت است که روبروی هر تلاشی برای شکل دادن به مریخ برای سکونت انسان قرار می گیرد. همه‌ی این‌ها در کنار همدیگر، شواهد بیشتری از طراحی روی سیاره زمین را نشان می‌دهد.

منابع

1. Cockell CS، Catling DC، Davis WL، Snook K، Kepner RL، Lee P، McKay CP. "محیط فرابنفش مریخ: پیامدهای بیولوژیکی گذشته، حال و آینده"، ایکاروس. 2000 اوت; 146 (2): 343-59. doi: 10.1006.

2. R. Masuma، و همکاران. ، "اثرات طول موج UV بر آسیب های سلولی ناشی از تابش اشعه ماوراء بنفش در سلول های PC12"Effects of UV wavelength on cell damages caused by UV irradiation in PC12 cells ، مجله Photochemistry and Photobiology B: Biology, Vol. 125، (5 اوت 2013)، ص 202-208.