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我们究竟是否能够殖民火星?

2020-10-07 20:04 321次阅读

埃隆•马斯克想要建造火星大气,他配吗?

以目前看来,埃隆•马斯克正在推特上以“人类究竟能否移民火星”为话题进行如火如荼的争论,他甚至在七月告诉美国商业周刊,在推特就仿佛被卷入了一场“表情包的战争”,“两人之间的互怼就像是礼尚往来一般理所当然。

马斯克是SpaceX公司的CEO兼首席设计师,他希望从火星开始,使人们的生活“星际化”。之所以选择火星是因为这颗红色的行星曾流淌着河流与湖泊,甚至如今还存在着固态水(冰)与地下水。除此之外,火星的气候也出奇的适合建造类似的地球大气。相较于地球的地表温度(-87.7℃-58.8℃),火星的地表温度并没有相差甚远(-176.1℃-31.1℃)。只不过,火星表面的大气压强仅有0.006巴的压强(巴,大气压强单位,1巴相当于处于地球海平面的标准大气压强),这不仅仅意味着致命的辐射会丝毫不受控制的抵达火星表面,而且人们需要至少0.063巴的压强以保证体内的液体不会沸腾(这被称之为“阿姆斯壮极限”)。

在火星殖民之初,我们需要改变这颗星球的气候、地貌、与环境,让这颗星球更适合人类居住。试想如果我们能够将火星加压,使其地表大气压强正好超过珠穆朗玛峰峰顶(0.337巴),我们就可以丢掉增压宇航服,仅仅靠着呼吸面罩就能够在火星表面行走。这样的殖民改造仅仅能称之为“弱改造”:这并不能让植物能够在温室之外生长。

曾经令人向往的火星:艺术家笔下的早期火星环境,相比于现在。(美国宇航局的戈达德太空飞行中心)

除此之外,我们还需要远比目前科学家们在火星表面观测到的多得多的氮气。尽管这并不能让我们在火星表面不借助任何工具呼吸,然是马斯克认为这至少让我们的火星殖民计划成为了可能。他在墨西哥的国际天文大学上声称“事实上,如果我们能够让火星升温,我们就能够让火星重新拥有一个稀薄的大气以及液态的海洋。”

不——但这一切不会像马斯克想的那么快。至少,这是美国宇航局火星大气与其挥发性演化(MAVEN)航天器的首席研究员、科罗拉多大学博尔德分校的太空科学家布鲁斯·雅科斯基的观点。布鲁斯说,随着马斯克殖民火星的观点越来越流行,驱使了他与他的地质学家同事克里斯托弗·爱德华兹着手验证马斯克殖民计划的可行性。

他们最终给出的答案是否定的:根本不可能,“这不可能以目前的技术来实现。”在一篇发布在《自然天文学》一刊上的论文中,他们点名了马斯克以及马斯克的殖民计划,并以对火星的极地冰帽进行核撞这一计划为切入点对整个计划“泼冷水”。他们抨击道,因这个撞击计划而释放的二氧化碳根本不足以引起一个“失控”的温室效应。在七月30日,《发现》一刊发推文点名马斯克,说道“对不起,埃隆。根本就没有足够的二氧化碳来改造火星。”

当然,马斯克也连忙在此条推特下回复道“实际上,土壤中非常有可能溶解可足够多的二氧化碳火星升温。只要有足够大的能量,人为或自然都能够殖民改变任何岩石状物理。”在次日,马斯克多次回复《发现》杂志的推文。在回复了“真的吗?我将与您见面聊聊,并为您隆重介绍克里斯·麦凯 @美国航空航天局”这一评论三分钟后又回复道“科学的力量”,并且链接了一篇1993年麦凯合作编写的论文《殖民改造火星的技术需求》。

如果火星75%的二氧化碳已经流失到了宇宙,就几乎没有任何储存在地面上的气体可以留给人们所用。

相比于其他专家,为何马斯克更愿意相信麦凯,一位美国航空航天局艾姆斯研究中心的行星科学家。我问过麦凯,他是否看过雅各斯基和爱德华兹于七月发表在《自然天文学》中的论文这篇论文指出经过火星大气与其挥发性演化(MAVEN)航天器至少四年、火星快车航天器至少15年的观测表明,火星大气正随着时间的推移流失,同时,火星侦察轨道飞行器和火星奥德赛航天器已经分析过了“火星究竟有多少含碳矿物,以及极地冰中究竟有多少二氧化碳产生”。

这篇论文的作者们指出,这些新的数据已经说明了:首先,早期火星留存的大气已经流失进到了太空,并没有转移到目前尚未发现的底下二氧化碳气层;其次,火星地面上不管有多少二氧化碳,它们“始终无法为我们所用”,并释放进大气中。

“我有看过这篇论文”,麦凯说“而且实际上,他们确实说的没错,火星上究竟有多少二氧化碳、氮气与水当然是殖民火星的关键。不过,和不幸,我们至今也不知道这些物质究竟有多少。”换句话说,麦凯认为,这篇论文用来支持他们观点的数据,并不足以说明问题。

麦凯使我注意到了一篇他与他的两名同事(欧文·图恩与詹姆斯卡斯蒂)共同编写的论文,名叫“让火星宜居”,于1991年刊登在了《自然》一书中。他在这篇论文中指出,在当时火星上究竟有多少二氧化碳、水与氮气始终没有一个确切的结论——甚至是今天。“在火星地表下有多少二氧化碳,始终是一个未知数。因为我们没有可靠的数据供我们分析,对此我们还需要深入的研究。”也因此,他指出,布鲁斯·雅科斯基与里斯托弗·爱德华兹所谓的“火星殖民是不可能的”这一观点是“不成熟的”。

当祖布林谈起究竟是什么让布鲁斯·雅科斯基能够自圆其说时,他说“雅科斯基的说法之所以能够成立是因为他不仅掩盖了自己的无知,所提出的观点还与已知数据矛盾。”例如,雅科斯基在他于《自然天文学》中发表的文章指出由75%的火星大气(0.5巴)非常有可能被太阳风于紫外线带走到太空,流失到千里之外。假设火星真的流失了75%的大气,就能说明火星现存的那微薄大气,那不到一巴的大气,能够储存在底下供人类所用。“显然”,这篇文章写道“一旦这些气体流失进了太空,就再也不能够被转移回火星大气中。”他们提出这里仅剩下0.020巴的可用二氧化碳贮藏在底下。

雅科斯基其实是这样计算出75%大气流失的:假设在过去经历的太阳风与紫外线活动与现在我们所观测到的相同,且过去这些活动会更加平凡(他坚信这是正确的,因为我们能够从对其他类似太阳的恒星的观测结果中推断出太阳过去经历了什么)。在此之后,他把今天火星大气中碳13与12的比例与地面上碳13与12的比例进行比较。由于较重的同位素通常能够长时间停留在大气中,而较轻的同位素则从大气中流失,因此大气中二氧化碳与较重同位素含量相对于地面上的碳会有所不同。

雅科斯基和爱德华兹写道:由这样大气于地面上含量的不同,我们可以得出,火星大气中至少有四分之三的二氧化碳已经消失,且“从大气中流失是这些曾经存在的二氧化碳消失的原因”。当然,这一观点与祖布林和麦凯持有的观点完全背道而驰:他们认为之所以这些二氧化碳从大气中小时,其实是因为这些二氧化碳沉淀在了火星土壤中——也许被吸附到土壤中,也许以二氧化碳冰的形式残存,又或许暗藏在碳矿物中。

收集火星表面数据:NASA的好奇号火星

当然,在祖布林和麦凯看来,二氧化碳究竟何去何从这一观点就是雅科斯基与已知数据相矛的地方。麦凯和祖布林称,在大气中由0.5巴的氧化碳已经流失,这一观点其实是非常中立的——即使并不是非常能够说明问题(麦凯:“他们究竟是在测量二氧化碳的损失还是仅仅是氧气的损失,这一点始终存疑。”祖布林:“这种说法是有争议的,但我们还是会肯定这篇论文,因为至少(雅科斯基)确实是在用数据说话。”) 实际上,他们否认的是雅科斯基所做的碳同位素分析。祖布林认为,大气中损失的0.5巴二氧化碳并不能说明火星原有大气总量的75%或更多,因为“根据现有火星古代液态水数据来看,火星大气中一定有至少2巴的二氧化碳”笼罩着火星(不过当时地面上的二氧化碳含量还是未知数)。若如此,那事实则就恰恰相反,在某处的浅层地面二氧化碳沉积物中会有远远超过一巴的量——这些二氧化碳如果气化就完全足以引发失控的温室效应。

此外,祖布林也指出,事实上我们现在也不知道当初火星上的碳12与13比例究竟是多少,而且雅科斯基在自己的论文中多多少少也承认了这一点。(他是从火星陨石中推导出这两者的比例。)不仅如此,“雅科斯基也并不知道在底下的碳12与13的比例”,祖布林也补充道。“这和大气中的比例是大有不同的,逼近如果之前大多数的二氧化碳都沉淀进了雷格岩中”——雷格岩是覆盖基岩的那层未凝固的岩石材料——“日复一日年复一年,随着大气的流失,大气和岩石中的二氧化碳含量就会是相差甚远。”麦凯也支持这样的观点。

他指出:“同位素分析也只能说明在大气中的碳素,因此岩石中的二氧化碳与冰中的二氧化碳含量就不能通过这样的分析而说明。”

就比如说,在南极的冰盖就是一个孤立的二氧化碳存储处。“我们连这都没有很明确的了解,甚至不知道这里究竟由多少的二氧化碳含量,”麦凯称。他指出了一个2016年的研究,科学家利用火星侦察轨道器上的浅层雷达仪器遥测了这一区域。这一研究最终发现地下的二氧化碳冰层足以让火星的大气压力翻倍;如果这些二氧化碳被气化释放后,二氧化碳含量将达到0.012巴。

当然,就算这样也不足以让人类能够在没有增压服的条件下自由的在火星表面活动。若真的要达到这一目的,我们需要找到能够释放更多二氧化碳的方法。麦凯认为,“在南极洲的二氧化碳贮存其实非常年轻,我们也许能够找到更深层、更古老的二氧化碳沉淀。”对他们来讲,MAVEN和火星快车航天器的探测结果都只是一个所谓“加分项”,因为“事实上几乎所有的气候模型都指出早期火星应该还有好几巴的二氧化碳。所以,火星上一定还有更多的二氧化碳等着我们去发现”,在埋藏了数十亿年的底层中,一定还有更多。

试想一下,在1890年有人从火星上预计地球的石油储备量,却从未在地球上钻过任何一口井。

我把这个问题告诉了雅科斯基,但他表示,他估计在地表或者靠近地表的地方已经几乎没有可供气化的二氧化碳了(这些二氧化碳差不多是0.020巴)。这个估计其实不仅仅是基于了对大气中的二氧化碳流失分析,更是从地表还没有让我们能够观测到大量二氧化碳这一事实推测的;人类对火星表面的探测已经深入到了十厘米。这样的现象甚至都没有在其他按理讲会更明显的地方被观测到——撞击坑和巨大的沟渠,就像“水手谷(Valles Marineris)”与火星大峡谷。这两处的的地貌让不同的火星地层尽收眼底。

所以,也许在火星上更深的地方也存在着更多的二氧化碳。“我们应该去大胆的假设这些我们看不到的东西,”雅科斯基道,火星上可能还残留着大量的“深层碳酸盐”二氧化碳,只是我们还没找到罢了。“虽然现在我们也不敢肯定这些二氧化碳究竟有多少——人们总是会去争辩说他们常常都会藏在我们看不见的地方——但是这样的二氧化碳残留物在地质学上非常没有说服力,而且就算如此它们也几乎不可能允许我们去开采。”

当然,麦凯从同样的资料中提炼出的结果却没那么悲观,但也不是那么的准确。“很不幸,在过去的20年里我们真的没有对火星的地表以下研究的那么透彻。请拿数据说话。”他称,“这颗星球的大小和地球的大陆大小差不多,而且火星表面在不同的地方的观测数据应该都大有不同。”祖布林让我想象一下,在1890年有人从火星上预计地球的石油储备量,却从未在地球上钻过任何一口井,并说道“雅科斯基就是这个人,简直荒唐,甚至可以说是天方夜谭。”

如果雅科斯基是错的,如果火星上真的有那么多巴的二氧化碳供我们所用,那我们当然能够很快的对火星殖民改造。“就以我们在地球上的温室气体排放来看,我们能够让火星在100年内变暖,”麦凯说在他的《鹦鹉螺》专题中解释道,“对我们来讲最有效的方法其实是释放氯氟烃或者甚至是全氟化合物,因为它们没有毒性,不会影响臭氧层的发展,还能够地域太阳辐射。好奇号证实了火星岩石中确实有氟,所以制造他们的所有成分都有了。”

于2001年的一篇论文章,麦凯与航空工程师玛格丽塔(现SpaceX的高级火星和飞行器系统开发工程师)写道“用4x1020 焦耳的能量,相当于火星上75分钟阳光带来的能量,已经足够让我们制造足够多的全氟碳化物让火星气温提高9华氏度。”“这相当于250个消耗500兆瓦的小型核反应堆不间断工作100年。”除此之外,还需要大量的人力为这些维持这些设施的运转,还需要有人从事农作和提供其他必须的需求。祖布林认为,这至少要50至100万人来开展这项火星殖民作业。

不过值得期待的是,不论我们能否殖民火星与否,火星旅行也已经近在咫尺。马斯克计划利用SpaceX的大猎鹰火箭把人类送往火星,并且将会建立“火星基地α”。马斯克已经在他的推特首页上置顶了这个基地的渲染图。在澳大利亚,马斯克当众展示了火星基地,同时还展示了未来火星基地将如何成为一个火星小镇,甚至是城市。他认为,最终,火星的新居民将会殖民火星,火星将会是一个 "令人向往的地方。




作者:BRIAN GALLAGHER

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