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火星のテラフォーミングへの挑戦は、地球のインテリジェントデザインを浮き彫りにする

Article インテリジェントデザイン 物理科学

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エリック・ヘディン

2024/7/29 13:43

 

私たちの同僚であるデイヴィッド・コッペッジは、本日早くに「居住可能性のテストとしての土星の衛星タイタン」について書きました。話題になっているついでに、火星の居住性はどうでしょうか。ペンシルベニア州立大学の工学デザイン、電気工学、航空宇宙工学の教授であるスヴェン・ビレンは、「地球外への人類の存在を拡大するための技術開発」に取り組んでいます。彼は最近の記事で、人々が火星を人類の植民地として居住可能な惑星にテラフォーミングしようとする際に直面する工学的挑戦について議論しています。太陽系の地球の外側で最も敵対的ではない惑星表面の特性を考慮すると、人類だけでなく何百万もの他の生物種を、多様で相互接続された生態系において庇護し、維持する惑星としての地球の注目すべき特徴についての強力な証言が見つかります。

 

人間にとっての居住可能性要件の短いリストには、空気、水、食料といった基本的なものが含まれます。地球にはこれらのものが豊富にあります。一方、火星は凍り付いた、ほとんど空気のない、不毛の砂漠であり、過酷な太陽放射にさらされています。火星を持続可能な生物学的生息地に変えることには、生物を火星に持ち込むよりもはるかに多くのことが関わっています。それらの居住可能性の基本のいくつかを吟味し、火星を私たちの故郷の惑星と比較し、火星が現在住むのに適さない環境になった根本的な条件に注目します。

主な生物学的危険

火星における主な生物学的危険の1つは、太陽から放射される紫外線です。

 

・・・現在の火星の紫外線流量は・・・適応していない生物相にとって制約となり、宇宙船に搭載された、火星の塵の層で覆われていない微生物を急速に殺すであろう。1

 

火星は地球よりも約50％太陽から遠い軌道を回っているため、火星に到達する太陽放射の強度は、地球と比較して2分の1以上に減少します。太陽の紫外線流量が火星で殺菌作用を持つ理由は、オゾン層が欠如した希薄な火星大気にあります。

 

しかし、火星の大気はほとんど全てが二酸化炭素であり、酸素はほぼ存在しない。そして、それは非常に希薄で、地球の約1％の密度しかない。

 

私たちは皆、太陽が紫外放射線を放出していることは良く知っていても、その放射が地球の大気によってどれほど遮られているかを認識していないかもしれません。地球の表面に到達する総量は、太陽から放出される紫外線流量のほんの一部分です。最も短く、最も危険な紫外線の波長は、地球の上層大気で、主にオゾン (O3) によって遮断されています。紫外線放射の致死性についての生物学的研究では、UVCとして知られるスペクトル範囲におけるある波長が細胞のDNAを最も容易に破壊することが識別されています。

 

250 nm の紫外線放射は最高の細胞殺傷能力を示し、中央致死量 (LD50) は 120 mJ/cm2 であった・・・。245–290 nm の波長の放射を最大限に吸収するDNAは、紫外線放射の主要な細胞標的の1つである。DNAの吸収ピーク内に波長があるため、UVC (200–280 nm) はDNA損傷の誘発において最も卓越している。2

 

大気中の、主に成層圏のオゾン層による吸収により、危険なUVC放射は地球の表面に到達できないことに注意してください。地球上の生命は、火星には全く欠けている保護的な覆いの下に存在しています地球の軌道で測定された太陽放射照度データを使用し、その強度を太陽から平均1.52倍遠い距離を周回する火星に合わせて調整することで、火星における放射環境がどれほど厳しいかを推定できます。

 

地球の軌道における太陽放射照度は、245〜290 nmの範囲で約1000 mW/(m2*nm)です。研究によると、この紫外線波長範囲での中央致死量3は約220 mJ/cm2であり、このことから、曝露された細胞が致死量を吸収する時間は、大気の保護がない場合の地球上では約1分、火星の表面では2分弱になると計算されます。

火星における罹患率

火星の希薄で、主にCO2からなる大気は、細胞生命にとって最も有害な波長範囲の紫外線放射からの保護を何ら提供しません。この陰気な結果は、私が以前教えるのに使っていた天文学の教科書の1つで読んだこと、すなわち、火星で保護されていない人は、酸素不足で死亡するよりも短い時間で致死量の紫外線放射に苦しむだろうということを裏付けています。

 

ビレン教授は、火星の大気密度を増強するための様々な提案を批判しています。核爆発を用いて火山噴火と閉じ込められたガスの放出を誘発することは、「その計画は少し軽率だ」とコメントされています。核放射性降下物によってもたらされる居住性への明らかな悪影響のためです。彼の「より良いアイデア」は、「水が豊富な彗星と小惑星の方向を変えて火星に衝突させること」です。しかし、そのような爆撃は少なからず必要となり、多大な努力と費用がかかります。

 

しかし、もっと大きな問題があり、それはそもそも火星の大気が非常に薄い理由と関係しています。火星の大気を単純に補充して、そもそもそれが失われた原因となった惑星の条件に対処しないのは、空気が抜けたタイヤに、最初に漏れを修理せずに空気を入れようとするようなものです。

 

何らかの方法でより濃い大気を供給することによって火星の居住可能性を「再起動」しようと試みることは、記念碑的なプロジェクトですが、一時的な解決策にすぎません。火星の大気の元々の喪失につながった条件は今日でも依然として残存しているためです。火星の大気喪失には2つの条件が関与しており、どちらも火星の小さなサイズ (地球の直径の半分) と小さな質量 (地球の質量の1/10) に関連しています。

 

惑星が宇宙への熱放射損失によって冷却されるのにかかる時間は、その表面積に反比例し、その熱容量に比例します。火星の表面積は地球の約4分の1ですが、その熱容量は地球のほぼ10分の1であり、これは火星の内部が地球よりも2.5倍速く冷却されることを示唆しています。その核内に含まれる放射性元素の割合などの他の要因も、惑星の核が熱い状態をどれほどの期間保てるかを決定します。

 

地球の平均密度は火星の密度よりも40パーセント高いので、科学者たちは地球が重い放射性元素を著しく豊富に持っていると信じるようになっています。これらの元素の放射性崩壊から放出される累積エネルギーは、地球の核を地殻活動と保護的な磁場を維持するのに十分なほど高温に保つことに貢献してきました4。

 

火星の大気損失は、保護的な磁場がないことに起因します。

 

磁場が消滅したことで、高エネルギー粒子と極端紫外線光の太陽風が大気を剥ぎ取り、それに伴って大量の水も失われた。その結果、今日の薄く冷たい大気が残された。

不可逆的問題

火星の磁場の欠如は、質量が小さいことによる問題をさらに悪化させます。質量が小さいということは表面重力も低下し、大気中のガスを重力で引き留める能力が弱まることを意味します。もちろん、火星の質量を地球の質量に合わせるために10倍に増やすことで、火星をテラフォーミングしようと試みるのは、非現実的な目標でしょう。したがって、火星の低い質量、その結果である低い重力と惑星磁場のない冷え切った核は、不可逆的問題なのです。

 

地球の磁場は、太陽表面と同じくらい熱い核によって今も維持されており、絶え間ない宇宙線や太陽風の衝突を通して大気が跳ね飛ばされることを防ぐ、不可欠な磁気シールドとして機能しています。火星は、その異なる初期条件のために、異なる運命をたどりました。

 

惑星が冷えると、その地殻活動も停止します。地殻活動 (特に火山噴火) がなければ、火星は大気中の気体を補充する重要な過程を失います。

 

人類の居住のために火星をテラフォーミングしようとするあらゆる試みはさらなる挑戦に直面し、それには水と耕作可能な土壌が含まれます。続く記事では、生命を維持するためのこれらの必要条件を吟味し、地球という惑星におけるデザインのさらなる証拠を明らかにしていきます。

注釈

  1. Cockell, C. S., Catling, D. C., Davis, W. L., Snook, K., Kepner, R. L., Lee, P. & McKay, C. P. (2000) The ultraviolet environment of Mars: biological implications past, present, and future. Icarus. 146(2): 343-359. DOI: https://doi.org/10.1006/icar.2000.6393
  2. Masuma, R., et al. (2013) Effects of UV wavelength on cell damages caused by UV irradiation in PC12 cells. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 125: 202-208. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1011134413001243?via%3Dihub
  3. Masuma, R., et al. (2013) Effects of UV wavelength on cell damages caused by UV irradiation in PC12 cells. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 125: 202-208. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1011134413001243?via%3Dihub
  4. Ross, H. (2016) Improbable Planet: How Earth Became Humanity’s Home. Baker Books: Grand Rapids, p. 26.