Viabilidad de una 'Zona de Radiación de Oxígeno': una formación natural no presurizada en Marte que proporciona una atmósfera adecuada

CONTEXTO e INTRODUCCIÓN

Los humanos establecen colonias en Marte con tecnología un poco más avanzada que la que tenemos hoy. Los colonos marcianos pierden todo contacto con la Tierra. A lo largo de los siglos, los colonos marcianos desarrollan una cultura distinta (con prácticas, religión, idioma, etc.). Mi historia tiene lugar en esta cultura. Un elemento definitorio fundamental de esta cultura es la tecnofobia/deterioro tecnológico (por varias razones irrelevantes).

Tengo dos problemas relacionados con la atmósfera de Marte que impiden la habitación humana. En primer lugar, la composición química de la atmósfera marciana no es adecuada: bajo O 2 y alto CO 2 . En segundo lugar, la presión atmosférica de Marte tiene un promedio de 600 pascales, lo que no es adecuado para la habitación humana. De alguna manera, mis marcianos necesitan poder habitar Marte y sobrevivir (pero no prosperar).

Sin embargo, como se mencionó anteriormente, la población marciana es tecnofóbica. Su tecnología es bastante primitiva, el desarrollo tecnológico es casi inexistente y la tecnología de las primeras colonias es irreproducible y/o perdida. Como tal, la terraformación está fuera de discusión. Al igual que las tecnologías más avanzadas, como los trajes espaciales y los hábitats presurizados.

LA “ZONA DE RADIACIÓN DE OXÍGENO”

Por lo tanto, estoy tratando de idear una formación natural teórica que proporcione a los marcianos un área habitable localizada.

Actualmente, esta formación natural es una 'Zona de Radiación de Oxígeno' no presurizada. El oxígeno se libera desde el subsuelo en un volumen lo suficientemente significativo como para proporcionar a un área local la presión atmosférica y la composición adecuadas para la supervivencia (pero no para "prosperar"). He incluido un diagrama para describir mejor esta 'Zona de Radiación de Oxígeno'. Considere el diagrama a vista de pájaro.

Diagrama de zona de radiación de oxígenoDiagrama de zona de radiación de oxígeno

  1. 'Fuga de oxígeno': donde el oxígeno del subsuelo se libera en un volumen significativo.

  2. 'Área habitable': el área dentro del círculo negro donde la presión atmosférica y la composición son adecuadas para la supervivencia humana. Las ciudades están construidas en forma de anillo, irradiando desde la 'fuga de oxígeno'.

  3. La extensión del 'área habitable'.

  4. 'Área de transición': donde la composición atmosférica y la presión están volviendo gradualmente a la normalidad marciana. Esta zona es inhabitable.

  5. La extensión del 'área de transición': donde la composición atmosférica y la presión se vuelven indistinguibles de la normal marciana.

  6. Marciano normal.

NOTA: En el diagrama, las áreas están bien definidas, pero me imagino que todo es un gradiente de presión, desde la 'fuga de oxígeno' de alta presión (1) hasta la normal marciana de baja presión (6).

COMPLICACIÓN: Vientos

Mi comprensión de los sistemas de presión es bastante básica. Según la investigación que he realizado, el aire se mueve de un área de alta presión a un área de baja presión, lo que da como resultado la generación de viento. La intensidad de estos vientos está determinada por el gradiente de presión. Por lo tanto, el gradiente de presión de (1) a (6) tendría que ser gradual para evitar fuertes vientos no deseados. ¿Es esto correcto? Si es así, ¿este gradiente de presión gradual tendría un área extremadamente grande?

COMPLICACIÓN: Escape de oxígeno

Sé que las moléculas de oxígeno escaparían de esta 'Zona de Radiación de Oxígeno', debido a la baja gravedad en Marte. Sin embargo, la fuente subterránea de oxígeno que he teorizado es renovable y, por lo tanto, creo que esta complicación se mitiga, siempre que la entrada de moléculas de oxígeno coincida con la salida de moléculas de oxígeno.

COMPLICACIÓN: Tormentas de polvo y remolinos de polvo

Marte se calienta asimétricamente en diferentes estaciones, lo que produce una circulación de vuelco media llamada celda de Hadley. En resumen, esta celda de Hadley es responsable de la producción de tormentas de polvo a escala global (entre otras cosas). Los remolinos de polvo son celdas de convección localizadas que pueden alcanzar de 1 a 2 km en las bases y pueden tener una altura de 8 a 10 km. ¿Cómo interactuarían estas tormentas de polvo y demonios con mi 'Zona de Radiación de Oxígeno'? ¿Se desviarían a su alrededor?

CONCLUSIÓN y PREGUNTAS

Entiendo que esta 'Zona de Radiación de Oxígeno' no es científicamente precisa hasta el último detalle.

¿Es mi diseño algo científicamente factible? ¿Hay alguna complicación importante que deba considerar?

Esta es una gran pregunta. Gracias por tomarse el tiempo de leerlo y brindarme sus comentarios.

Si liberas un gas en el vacío (o, en el caso específico, un volumen de muy baja presión), se expandirá hasta llenar el volumen; cuando esta expansión se produce sobre grandes extensiones se denomina viento. Los seres humanos pueden vivir en una atmósfera de oxígeno puro a alrededor de 0,15 a 0,2 atm, mientras que la atmósfera general de Marte está a alrededor de 0,06 atm. Este diferencial de presión de alrededor de 0,1 a 0,14 atm le dará vientos con fuerza de tifón que soplan radialmente. ¡Necesita generar suficiente oxígeno para sostener un tifón que sopla continuamente! Las tormentas y remolinos de polvo fuera del anillo de tifones son demasiado débiles para importar.
Simplemente, no. Una fuente perpetuamente renovable de oxígeno para compensar las moléculas que abandonan la atmósfera es, por definición, imposible. ¿Cuál sería la fuente? ¿De dónde habría salido esta fuente? ¿Qué le sucedería al suelo si la fuente pierde tanto masa como volumen?
@AlexP En realidad (¡alerta de pedante!) La expansión libre de un gas no funciona. Entonces, aunque el flujo másico será grande, no se realizará ningún trabajo, por lo que no se sentirá la 'fuerza' de los gases en expansión. Confía en mí, hice dos horas de ediciones en mi respuesta antes de obtener la ciencia correcta.
@kingledion: alerta de doble pedante: la expansión de Joule no funciona fuera del sistema . El mejor ejemplo es el motor de un cohete, que funciona permitiendo que el gas a alta presión se escape al vacío circundante, empujando así el cohete. Si consideramos que el sistema es el cohete más todo el espacio vacío que lo rodea, entonces no se realiza ningún trabajo; pero por lo general sólo estamos interesados ​​en el cohete.
Demasiado perezoso para hacer los cálculos (así que no hay respuesta), pero la única opción que veo es que su gente viva en una profunda depresión. De la misma manera que la presión disminuye con la altitud, aumentará con la profundidad. Con un "agujero" lo suficientemente profundo, podría tener una presión utilizable mientras está en equilibrio con el resto de la atmósfera. Esto también aumenta las temperaturas locales y proporciona una excusa conveniente por la que se libera oxígeno en ese lugar conveniente.
¿Tus humanos no pueden haber evolucionado para hacer frente a la baja presión? Entonces todo lo que necesita es un mecanismo de conversión de C02->02, como las plantas...
¿Por qué no puedes tener una terraformación parcial? Comienzan los esfuerzos de terraformación y luego algo sale terriblemente mal. Entonces hará que los colonos odien la tecnología, por lo que destruirán las máquinas de terraformación, dejando un entorno inestable como este. El oxígeno podría ser los restos de una planta de O2 debajo de la superficie.

Respuestas (3)

No factible; requiere demasiado oxígeno

La expansión libre es un proceso en el que un gas se expande en el vacío. Su atmósfera marciana no es exactamente un vacío, pero está lo suficientemente cerca en comparación con la presión de aire requerida para que su gente respire.

La matemática detrás de la expansión libre es

PAG i PAG F = V F V i ,

la relación de aumento de volumen es la inversa de la disminución de presión. Podemos modelar la expansión del gas como un hemisferio (ignorando la gravedad, ¡ups!). El volumen en función del radio es

2 3 π r 3 .

La libre expansión del gas en el vacío se producirá a la velocidad media de las partículas. La velocidad media de las partículas se basa en la distribución de Maxwell-Boltzmann y es

m = 2 2 k T π metro ,
dónde k es la constante de Boltzmann ( 1.38 × 10 − 23 J/K), T es la temperatura (vamos a usar 210 K como temperatura superficial promedio), y metro es la masa de una molécula de oxígeno ( 2.66 × 10 − 23 kg). Conectando esos números obtenemos una velocidad de expansión de 17 m/s. Cada segundo, el radio de expansión del oxígeno aumentará en 17 metros.

A medida que aumenta el radio del oxígeno, el volumen de oxígeno aumentará en el cubo de ese número, o un factor de casi 5000. A partir de la expansión libre, vemos que la caída de presión es la inversa del aumento de volumen, por lo que la presión caerá en un factor de 5000 desde un punto a 1 metro de distancia hasta un punto a 17 metros de distancia.

Pero esto es solo por el primer segundo. Establezcamos un valor de fuga de oxígeno constante. El río Amazonas descarga 200.000 m 3 por segundo, usemos ese valor. Debemos convertir esto a un número de moléculas, ya que la densidad de este gas será variable. 200.000 m 3 de oxígeno en STP sería aproximadamente 8.9 × 10 6 mol.

Usando la fórmula de expansión libre y la ley de los gases ideales , podemos calcular una presión promedio para cada segmento hemisférico de un metro de ancho del gas en expansión. La presión a 15 metros de distancia será de 11 bares, por ejemplo.

Digamos que el rango respirable es de 0,3 bar (esta es la presión utilizada por la nave espacial Gemini como 100 % de oxígeno) a 0,1 bar (esta es la presión parcial de oxígeno a unos 4000 metros). La distancia para 0,3 bar es de 45 metros, la distancia para 0,1 bar es de 65 metros.

Conclusión

Hay una zona segura de 20 metros de ancho en la que puede operar, a 45 metros de la fuente de oxígeno. Sin embargo, esto es con un nivel amazónico de entrada de gas a la atmósfera. Agregar 285000 kg de gas por segundo no es razonable. Digamos que bajamos los números de 285 kg por segundo. Ahora, en lugar del rango de 45 a 65 metros, la zona segura es de 5 a 7 metros.

La atmósfera de Marte es inmensa, a la tasa amazónica más alta, aún tomará 55000 años llenar la atmósfera de Marte con oxígeno a un nivel respirable. Pero, ¿de dónde sacarías tanto oxígeno? ¿Qué mecanismo podría generar casi 300 toneladas de oxígeno por segundo?

La verdadera pregunta es, ¿de dónde viene todo ese oxígeno? Sin ninguna forma de explicar eso, tengo que etiquetar este, no realista.

@dreadzone11 Necesita mucho oxígeno durante mucho tiempo, sin importar el sistema de almacenamiento. Depende de usted si esto es realista en el contexto de su mundo.
El rango de vida humana es de 0,1 a 1,5, no de 0,1 a 0,5 bar de oxígeno y de 0,01 a 0,15 bar de dióxido de carbono si queremos que las personas duerman (en ausencia de dióxido de carbono ambiental, tendrá que recordar constantemente respirar).

La única forma en que podría hacer que esto funcione es si se adentra en el subsuelo y tiene grandes estructuras de cuevas con acceso limitado al mundo exterior. Esto podría permitir que una producción más realista de oxígeno escape más lentamente y, por lo tanto, tenga una presión de supervivencia en la cueva.

Por supuesto, ahora tienes el problema de que no hay luz del día.

Una mejor manera podría ser tener domos de presión y trajes, pero que los habitantes no sepan cómo funcionan. El mantenimiento de los trajes y los controles previos al uso serían similares a los rituales religiosos, al igual que las reparaciones en las cúpulas, etc. Ni siquiera los ven como tecnología, son solo parte de cómo funciona el mundo con el que siempre han vivido y no lo hacen. sacrificar correctamente el aceite al Traje de Dios tiene un castigo vívido y memorable de los dioses; cuando la unión falla y el habitante está expuesto a un vacío casi total. Los apóstatas están bien si conservan los inquilinos principales (controles de seguridad y mantenimiento importantes) y mueren si no lo hacen.

Una opción final sería tener Marte parcialmente terraformado, lo suficiente como para tener una atmósfera (quizás de baja presión pero habitable). Hay una serie de propuestas para hacerlo, incluidas https://phys.org/news/2017-03-nasa-magnetic-shield-mars-atmosphere.html

Lo que encontraron fue que un campo de dipolo ubicado en el punto de Lagrange L1 de Marte sería capaz de contrarrestar el viento solar, de modo que la atmósfera de Marte lograría un nuevo equilibrio. En la actualidad, la pérdida atmosférica en Marte se equilibra hasta cierto punto con el paso volcánico del interior y la corteza de Marte. Esto contribuye a una atmósfera superficial que tiene una presión de aire de aproximadamente 6 mbar (menos del 1% que al nivel del mar en la Tierra).

La NASA propone un escudo magnético para proteger la atmósfera de Marte En un momento, Marte tenía un campo magnético similar al de la Tierra, lo que impedía que su atmósfera fuera despojada. Crédito: NASA Como resultado, la atmósfera de Marte se espesaría naturalmente con el tiempo, lo que llevaría a muchas nuevas posibilidades para la exploración y colonización humana. Según Green y sus colegas, estos incluirían un aumento promedio de alrededor de 4 °C (~7 °F), lo que sería suficiente para derretir el hielo de dióxido de carbono en la capa de hielo del polo norte. Esto desencadenaría un efecto invernadero, calentando aún más la atmósfera y provocando el derretimiento del hielo de agua en los casquetes polares.

Gracias, acabas de inventar una forma de invitar a los musulmanes reacios a vivir en Marte. Ahora necesita encontrar una manera de criar a sus técnicos religiosos.
No estoy seguro de por qué elige a los musulmanes como su ejemplo religioso de referencia. Hay muchos ejemplos más extraños que ellos.
Porque, los musulmanes son los que usan la propagación contundente. Y, hay miles de millones de ellos.
@ErkinAlpGüney Todas las ramas de las religiones abrahámicas hacen eso, posiblemente el cristianismo sea el más exitoso. Al final del día, todas las religiones son memes parásitos y solo sobreviven los parásitos que logran propagarse, por lo que no debería sorprendernos que todas las grandes religiones sean contagiosas de alguna forma, incluso si la forma exacta en que se propagan varía.

Sí, es posible. Considere que en el fondo de un valle uno está más cerca del centro de masa del planeta, por lo que la gravedad puede ser relativamente más fuerte y esto podría reflejarse en la presión atmosférica local.

gravedad vs distancia desde el centro

En la Tierra no tenemos valles lo suficientemente profundos como para experimentar una diferencia dramática, pero tenemos tal característica en Marte: Valles Marineris.

Hasta 7 km de profundidad, la presión en su fondo es de aproximadamente 0,168 psi, mientras que la presión atmosférica promedio en Marte es de 0,087 psi. Casi el doble, como ves.

Todavía no es lo suficientemente alto como para dar un paseo en camiseta, pero si la atmósfera en Marte fuera más densa, sería el primer lugar para lograr condiciones habitables.

(Esta respuesta se publicó inicialmente para esta pregunta, publicándola aquí ya que también responde a esta. Créditos @Willk por la pista)

Tal vez los antiguos excavaron el suelo de esta antigua grieta, haciéndola aún más profunda. Cuanto más profundo es, más atmósfera hay en la parte superior y mayor es la presión. Se podría afirmar que estas excavaciones encontraron antiguas bolsas de gas, reliquias de la atmósfera marciana original atrapadas en el subsuelo. El asentamiento en el fondo de la zanja es casi unidimensional: una línea estrecha delimitada por las paredes. Se pide menos para mantener esta área estrecha y profunda provista de atmósfera. ¡También sería claustrofóbico!
Creo que esta es una buena respuesta: funciona, no hay nada que descomponer y ni siquiera necesitaría reemplazar el aire (eventualmente). Según mis cálculos preliminares, si cavas un hoyo de 80 km de profundidad en Marte, la presión del aire en el fondo será la misma que en Denver, aunque en la vida real sería un dióxido de carbono irrespirable. ( en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula ). Pero esto no tiene nada que ver con la gravedad variable; es solo que cuanto más profundo estás, más aire pesa desde arriba y, por lo tanto, mayor es la presión.
Viabilidad de una 'Zona de Radiación de Oxígeno': una formación natural no presurizada en Marte que proporciona una atmósfera adecuada
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