Atmosféra Marsu: z čeho se skládá a proč tam nemůžeme dýchat

Mars má oblohu, vítr i oblaka. Na snímcích roverů proto může připomínat pustou krajinu na Zemi, kde by stačilo obléknout si teplou bundu. Jenže jeho atmosféra není vzduch, který známe. Převládá v ní oxid uhličitý, kyslík je jen stopovou příměsí a tlak u povrchu dosahuje zhruba šesti desetin procenta pozemského. Pro člověka to znamená dvě překážky současně: nevhodnou dýchací směs a nedostatečný okolní tlak.

Z čeho se skládá atmosféra Marsu

Atmosféra je plynný obal planety. Slovo samo o sobě neříká, zda se dá dýchat. Na Zemi převažuje dusík a kyslík tvoří přibližně pětinu vzduchu. Na Marsu téměř celý prostor zabírá oxid uhličitý. Podobnost krajiny ani přítomnost mraků proto nevypovídá o tom, co by člověk dostal do plic. Rozhodující je skutečné složení směsi a její tlak.

Konkrétní představu poskytl přístroj SAM na roveru Curiosity, který analyzoval atmosféru v kráteru Gale po několik marsovských let. Následující tabulka používá zaokrouhlené hodnoty z těchto měření, zveřejněné NASA. Jde o podíl jednotlivých plynů podle objemu. Údaj 95 % tedy popisuje složení vzorku, nikoli množství atmosféry ve srovnání se Zemí.

Zaokrouhlená čísla nejsou přesný recept platný v každé hodině na celé planetě. V přehledech lze narazit i na 0,13 % kyslíku, které uvádí například ESA. Zde se držíme měření SAM a hodnoty 0,16 %. Rozdíl nemění závěr o dýchání, ale připomíná, proč není vhodné skládat jednu zdánlivě přesnou tabulku z různých přehledů.

Tlak na Marsu: proč nestačí znát procenta

Povrchový tlak na Marsu se obvykle shrnuje číslem kolem 6 hPa. ESA uvádí 6,35 mbar a přehled NASA 6,36 mbar při středním poloměru planety. Millibar a hektopascal zde znamenají stejnou velikost tlaku. Pro srovnání, pozemský standard u hladiny moře činí 1 013,25 hPa. Mars tak vychází přibližně na 0,63 % této hodnoty, tedy asi 160krát méně.

Hektopascaly známe z předpovědi počasí. Barometr jimi popisuje tlak, kterým působí okolní plyn. Na Marsu by ovšem nešlo o drobnou odchylku od pozemské tlakové níže. Změnilo by se celé měřítko. Když o jeho atmosféře říkáme, že je řídká, mluvíme o prostředí, jehož tlak je proti běžným podmínkám na Zemi nepatrný.

Při srovnávání je také dobré hlídat názvy veličin. Tlak není totéž co hustota plynu, tedy jeho hmotnost v určitém objemu. Poměr přibližně 160 ku jedné v tomto článku porovnává tlaky. Nelze ho bez dalších údajů o teplotě a složení směsí automaticky používat jako poměr jejich hustot.

Ani marsovský tlak není jedna pevná konstanta. Záleží na místě a mění se také během roku. Část oxidu uhličitého v polární zimě zamrzá na povrchu, takže ubývá plyn v atmosféře. Při návratu do plynného stavu se atmosféra zase doplňuje. Je to nezvyklá představa: složka, která tvoří většinu místního vzduchu, se sezonně přesouvá mezi plynným obalem a povrchem planety.

Proč na Marsu nemůžeme dýchat

Pro dýchání je důležitý parciální tlak kyslíku. Ten vyjadřuje, jaká část celkového tlaku připadá právě na kyslík. Orientačně ho získáme vynásobením celkového tlaku objemovým podílem tohoto plynu. Nestačí tedy objevit ve vzorku několik molekul O2 a prohlásit prostředí za dýchatelné. Záleží i na tom, jaký tlak kyslík v dané směsi vytváří.

Na Zemi u moře vychází přibližně 0,21 × 1 013, tedy asi 213 hPa. Pro Mars s podílem kyslíku 0,16 % a tlakem 6,35 hPa dostaneme 0,0016 × 6,35, zhruba 0,010 hPa. Jde o orientační výpočet pro okolní plyn, nikoli o hodnoty uvnitř plic. Přesto názorně ukazuje, jak se malý podíl kyslíku násobí s velmi nízkým celkovým tlakem.

Pomohou dva myšlenkové pokusy. Kdybychom marsovskou směs pouze stlačili na pozemský tlak, stále by v ní převládal CO2 a podíl kyslíku by zůstal mizivý. Kdybychom naopak zachovali marsovský tlak a změnili složení na pozemský vzduch, pořád bychom měli velmi nízký tlak kyslíku. Každá úprava řeší jen jednu část problému. Bezpečné prostředí musí řešit obě.

Ani příznivě vypadající údaj na teploměru tuto situaci nezmění. Teplota, tlak a složení plynu jsou různé vlastnosti prostředí. Rozdíl mezi ohřátou půdou a chladnějším vzduchem podrobněji vysvětluje článek o teplotě na Marsu. Pro otázku dýchání je však podstatné, že ani slunečné odpoledne nepromění místní atmosféru v použitelnou dýchací směs.

Jak může mít tak řídká atmosféra oblaka?

Řídká atmosféra neznamená úplné vakuum. Na Marsu se pohybuje plyn, vítr zvedá prach a vznikají oblaka. Tyto jevy potřebují jinou kombinaci podmínek než lidské dýchání. Fotografie mraků proto není v rozporu s nízkým tlakem ani s tím, že by člověk bez ochrany nemohl venku pobývat. Ukazuje, že i velmi odlišné prostředí má vlastní počasí.

Marsovská oblaka tvoří ledové krystalky. Často jde o vodní led, u některých vysoko položených oblaků může jít o zmrzlý oxid uhličitý. Curiosity zachytila také jemně barevná, perleťová oblaka. Jejich irizace souvisí s rozptylem světla na částicích podobné velikosti. U konkrétní fotografie však nelze složení ledu spolehlivě určit pouhým pohledem na barvu.

Co by člověk potřeboval pro pobyt na povrchu

Skafandr pro výstup na Mars musí kolem člověka vytvořit a udržet vlastní prostředí. Není to jen pevnější oblečení s lahví na zádech. Jednotlivé součásti na sebe navazují: tlaková vrstva udržuje plyn, regulace hlídá jeho tlak a systém podpory života řeší dýchání i teplo vznikající při práci. Selhání jedné funkce nelze jednoduše vyvážit větší zásobou kyslíku.

• Tlaková ochrana těla a uzavřená přilba udržují vhodné vnitřní podmínky.
• Přívod kyslíku a cirkulace plynu umožňují dýchání, zařízení zároveň odstraňuje vydechovaný oxid uhličitý.
• Tepelná regulace odvádí přebytečné tělesné teplo, které vzniká i při práci v chladném okolí.
• Konstrukce a provozní postupy musejí počítat s prachem, pohybem v terénu a pravidelnou údržbou.

Vnitřek skafandru přitom nemusí přesně kopírovat vzduch u moře. Nižší pracovní tlak lze spojit s vyšším podílem kyslíku. Má to praktický důvod: velký rozdíl mezi vnitřním a vnějším tlakem skafandr napíná a ztěžuje ohýbání kloubů i prstů. Návrh proto musí sladit dýchání s pohyblivostí. Konkrétní hodnoty závisejí na celém systému, nelze je jednoduše převzít z tabulky pozemského počasí.

Uvnitř přetlakového obytného modulu by podobnou ochranu poskytoval celý prostor. Člověk by tedy nemusel trávit život nepřetržitě v přilbě. Náročné by byly přechody mezi chráněným interiérem a povrchem, kontrola skafandrů a omezování prachu zanášeného dovnitř. Právě takové provozní otázky NASA rozebírá při návrhu budoucích výprav. Samotné přistání je jen začátkem problému, jak na místě bezpečně pracovat.

MOXIE ukázal, že kyslík lze vyrobit na místě

Oxid uhličitý obsahuje kyslík, ale chemicky vázaný. Molekula CO2 není zaměnitelná s molekulou O2, kterou potřebujeme pro dýchání. Užitečný kyslík je nejprve nutné získat vhodným procesem. Právě na tuto možnost se zaměřil experiment MOXIE, který na Mars dopravil rover Perseverance. Zkoumal využití místního plynu jako suroviny pro budoucí výpravy.

MOXIE nasával marsovskou atmosféru, stlačoval ji a elektrochemicky zpracovával oxid uhličitý. Výsledkem byl kyslík a oxid uhelnatý. Přístroj měřil množství a čistotu vyrobeného kyslíku a následně ho vypouštěl ven. Nefungoval tedy jako filtr, který pouze zachytí hotový kyslík z okolí, a nevytvářel zásobu pro posádku. Šlo o ověření výrobního postupu v reálných podmínkách jiné planety.

Během šestnácti běhů v letech 2021 až 2023 vyrobil MOXIE celkem 122 gramů kyslíku. Dosáhl výkonu až 12 gramů za hodinu při čistotě nejméně 98 %. Důležité je číst tato čísla správně: první údaj je součet za experiment, druhý dosažená rychlost výroby. Neznamená to, že přístroj vyráběl nepřetržitě celou dobu pobytu roveru na Marsu.

Výsledek dokládá, že místní atmosféra může být zdrojem využitelné suroviny. Pro lidskou výpravu by ale byl potřeba výrazně větší systém. Vedle dýchání se kyslík nabízí jako okysličovadlo pro raketu, která by odlétala z povrchu. Takové využití přidává další úkoly, zejména zkapalnění a skladování. Úspěšný malý experiment proto není totéž jako hotová továrna nebo plně vybavená základna.

Časté otázky o atmosféře Marsu