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完全地球化的火星的逼真图像。图片来源：戴恩巴拉德

从原则上讲，把火星变得像地球一样并非不可能，但所需的质量、热量、氧气和能量的规模远远超出了目前的能力。

改造火星一直是个令人望而生畏的想法。改造整个行星的环境是一项非凡的挑战，而科学家和工程师数十年的研究得出了一个相似的结论：火星在可预见的未来不会变得像地球一样。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的斯拉瓦图里舍夫在《APS开放科学》上发表的一项新研究有助于解释其中的原因。

火星有遥远的里程碑

在探讨相关挑战之前，明确使火星宜居之路上的主要里程碑会有所帮助。这一过程分为五个关键阶段。

第一种是如今的火星：极度寒冷，大气非常稀薄，其表面环境需要大量生命支持才能让人类生存。

第二阶段将在大气压力至少暂时升高到水的三相点以上时达到，水的三相点约为0°C（32°F）时的6.1毫巴。在这个压力和温度下，水可以同时以固体、液体和气体的形式稳定平衡存在。

下一个里程碑是打造短袖温室环境，在这种环境中，大规模农业可在地方或区域范围内开展。这可能需要依靠大型温室。火星实际上非常适合这种方法，因为其内部气压较高（约100毫巴），有助于支撑建筑结构抵御外部低得多的气压。这种策略被称为半地球化。如果扩展到整个星球，它将有效打造出一个世界屋。

随着大气压力持续增加，火星最终可能达到62.7毫巴的全球表面压力。在这个压力水平下，人类血液在火星表面的体温（37摄氏度98.6华氏度）下将不再沸腾。这样的条件将是任何真正的地球化改造努力的重要要求。

最后阶段将是一个完全可呼吸的大气，包含大量的氮成分，以及在约500毫巴的总大气压力下约210毫巴的氧气。实现这一点还需要远高于火星目前温度的温度。

大气需要巨大的质量

虽然对于像改造行星这样庞大的项目来说，这些目标看起来可能合情合理，但当谈到每个里程碑的实际意义时，其规模真的会让人不寒而栗。例如，要达到仅1毫巴的气压，我们就需要添加3.89×10¹⁵千克的气体。

这几乎相当于火星较小卫星火卫二的全部质量。要将其扩大到可呼吸的完整大气层，大约需要10^18千克的物质，比如土星的不规则卫星土卫十。公平地说，对那些乐观主义者而言，太阳系中预计有数百个这种大小的天体，因此为了给八大行星中的某一颗提供大气层，牺牲其中一个或许是值得的。

但压力只是问题的一部分——温度是另一部分。我们需要将火星的平均温度提升60摄氏度，才能达到全球稳定的水融化温度。有几种方法可以实现这一点，从向大气中注入吸收短波的纳米粒子到释放大量二氧化碳不等。一些工程师建议添加大型镜子来将阳光集中到这颗红色星球上，但图里舍夫博士的计算显示，这需要大约7000万平方公里的镜子——远远超出了我们目前的工业能力。

为了创造一个能呼吸且我们的血液不会沸腾的大气，我们需要制造8.2×10^17千克的氧气——最简单的方法是从水中分解氧气。这需要稍微多一点的水，因为水分解成氧气的过程中，一部分质量会以氢气的形式损失掉。这些水的量相当于火星表面每平方米有6立方米的水。

再给乐观主义者一点希望——火星表面实际上有足够的水来实现这一点，甚至可以形成留存下来的海洋和湖泊。事实上，形成大气层所需的全部水量仅约为火星上已知且易获取的表面冰层的20%。因此，一些更极端的地球化改造方案，比如为了形成海洋、湖泊和富氧大气层而不得不让多颗含水彗星撞击火星表面，可能是不必要的。但它可能比其他替代方案更容易。

能源是真正的障碍

能量确实是这个过程真正的瓶颈。为了转化大气所需的氧气量，我们至少需要1.2×10²⁵焦耳的能量。即使分摊到1000年，这也需要380太瓦的持续功率输出——几乎是目前地球每年全球能源消耗量的20倍。

现实地说，我们无法绕开所需的能量总量——而以我们当前的文明水平，生产这些能量是超出能力范围的。但这或许不会超出我们后代的能力，而与此同时，我们可以开始着手这项工作。最简单的方法是达成第二个里程碑，建立紧凑型温室，让内部的生活环境保持稳定。任何读过金斯坦利罗宾逊《火星三部曲》的人都会熟悉这个概念，尽管他显然在完成其愿景所需的时间和能量总量上算错了数据，但这颗红色星球作为未来太空探索者的目的地，仍然具有巨大的吸引力。如果他们决定要让火星变得和地球相似，这可能需要一段时间。

参考：《质量、强迫与工业吞吐量约束》，SlavaG.Turyshev著，2024年4月10日，APS开放科学。DOI：10.1103krb8h3v3

改编自一篇最初发表于《今日宇宙》的文章。

相关知识

火星是太阳系八大行星中离太阳第四近的类地行星，因表面覆盖氧化铁呈现橘红色，被称为红色星球。它有稀薄的二氧化碳为主的大气，表面分布着太阳系最高的奥林匹斯山、最大的水手号峡谷，还留存着干涸的河床。人类通过探测器持续探索，试图寻找生命存在的痕迹。

BY: Andy Tomaswick , Universe Today

FY: AI

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