Когда человечество достигнет Марса, его ждет мир, чрезвычайно непригодный для существования. Средняя температура на поверхности Красной планеты составляет -55 °C, и она может понижаться до -125 °C во время пылевых бурь. Атмосфера здесь очень разрежена и преимущественно состоит из углекислого газа, вся вода находится в замороженном состоянии, а отсутствие озонового слоя делает поверхность подверженной воздействию интенсивного солнечного излучения. Вероятно, первым поселенцам придется проживать под землей, пока, возможно, однажды Марс не будет подвергнут терраформированию, чтобы стать более комфортным для человека.
Обсуждение возможности терраформирования Марса не ново, и одним из первых предложенных методов было увеличение парникового эффекта посредством таяния полярных шапок, состоящих из CO₂. Илон Маск, в частности, предлагал использовать серию ядерных взрывов с минимальным уровнем радиоактивного загрязнения для создания искусственных источников света. Однако исследование, проведенное в 2018 году, подвергло эту идею критике, продемонстрировав, что она позволит поднять парниковый эффект лишь с естественного уровня в 5 °C до 10 °C максимум. Этого недостаточно для создания устойчивой жидкой воды на поверхности планеты, для которой требуется повышение температуры на 30 °C или более.
В последние годы исследователи выявили альтернативный подход — применение аэрозолей, генерирующих направленное инфракрасное излучение для нагрева поверхности. Однако, ранние разработки имели упрощенный характер: они основывались на предположении о стационарном распределении аэрозолей и не рассматривали их перемещение и изменчивость.
В статье, опубликованной в журнале Geophysical Research Letters, исследователи из США, Великобритании и Бразилии представили глобальную трехмерную модель, позволяющую отслеживать выброс частиц в атмосферу Марса. Согласно результатам моделирования, существуют выраженные радиационно-динамические взаимодействия. Ученые установили, что частицы, поднимаемые в отдельных областях, распространяются по всей планете, и эти взаимодействия могут создать условия для нагрева с помощью искусственных аэрозолей.
В ходе исследования были изучены два вида частиц: графеновые диски диаметром приблизительно 250 нанометров и алюминиевые стержни длиной около 8 микрон и диаметром 60 нанометров. Оба материала способны поглощать и рассеивать тепловое инфракрасное излучение, которое исходит от поверхности планеты. Несмотря на то, что эти материалы не были разработаны с целью достижения максимального нагрева, они, как предполагается, демонстрируют более интенсивное взаимодействие с тепловым ИК-излучением по сравнению с солнечным светом.
Согласно модели, созданной под руководством Марка И. Ричардсона из Aeolis Research (Аризона, США), постоянный источник аэрозолей (в рамках исследования рассматривался выброс от 0 до 60 литров в секунду) способен стабильно насыщать атмосферу Земли по всему миру менее чем за четыре марсианских года (что эквивалентно 7,5 земных лет). В ходе исследований ученые также учли колебания естественного уровня пыли, которая также влияет на радиационное взаимодействие, используя данные, полученные в период относительного отсутствия штормов на планете.
В результате проведенного исследования было установлено, что выброс инфракрасно-активных частиц алюминия привел к изменению глобальной средней температуры поверхности во времени. Начав с интенсивности 3 литра в секунду в день весеннего равноденствия северного полушария и продолжая в течение пяти марсианских лет, а затем увеличив выброс до 60 литров в секунду, ученые зафиксировали значительное повышение температуры. Примерно через восемь марсианских лет температура достигла отметки на 3–4°C выше начального уровня, после чего произошел ее резкий скачок примерно на 25°C. Спустя около 15 лет температура стабилизировалась на уровне потепления примерно в 35°C. Этого достаточно для поддержания жидкой воды на поверхности Марса.
Согласно результатам моделирования, сезонные колебания оказывают лишь незначительное влияние на процесс потепления на Марсе, изменяясь не более чем на ±5 °C. В случае немедленного прекращения выбросов аэрозолей, атмосфера Марса могла бы вернуться к первоначальному состоянию в течение четырех марсианских лет.
Авторы исследования акцентируют внимание на том, что их работа охватывает лишь отдельные стороны воздействия выброса инфракрасно-активных частиц на климат Марса. Остается немало нерешенных вопросов, в том числе касающихся обратной связи с водным циклом и способов недопущения объединения (слипания) этих частиц. Повышение температуры нижних слоев атмосферы выше точки замерзания воды повлечет за собой появление водяного пара, который также является парниковым газом и способен усугубить нагрев. Вместе с тем, существует вероятность того, что аэрозоли могут служить центрами кристаллизации льда или облаков, что приведет к их осаждению из атмосферы. Помимо этого, увеличение скорости ветров вблизи поверхности может способствовать подъему большего количества пыли в атмосферу, формируя положительную обратную связь. Аналогично моделям земного климата, атмосферные аэрозоли проявляют сложные взаимосвязи, нуждающиеся в дальнейшем изучении.