火星夢碎:人類也許永遠無法「地球化」火星

2020-12-05 中國科普博覽

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

火星，是太陽系中距離地球最近的行星之一。尤其是當人們撥開金星神秘的面紗，失望地發現金星是一顆極度高溫高壓、酸性大氣還有毒的"死星"之後，火星就變得更像一顆溫柔可親的希望之星了。

種種證據顯示，曾經的火星很可能和地球一樣，是個宜居的"天堂"。那是30多億年以前，那時候火星的內部還有活力，外部還有較厚的大氣層，磁場還能保護火星上的一切。曾經的火星表面，很可能有過充沛的液態水甚至汪洋大海。

只是如今，它們都消失了。

火星的內部漸漸冷卻，磁場慢慢消失，大氣層散逸，然後表面的液態水也不能倖免。

火星的表面，最終變成了如今我們看到的這樣：寒冷、乾燥，一片死寂。

但似乎，改造火星並不是沒有希望，讓火星再一次變得有大氣、有水似乎並不是沒有可能。

畢竟，近年的許多新發現都是那麼地讓人欣喜：

· 2008年，NASA鳳凰號著陸器在火星北極附近的淺層地下挖到了水冰；

· 2018年初，NASA火星勘測軌道飛行器（簡稱MRO）在火星中緯地區發現了大量純淨的地下水冰（詳見：https://mp.weixin.qq.com/s/eKAV84awZh6YQIZPGYJ-xg）；

· 2018年7月，歐空局火星快車號探測器的雷達數據表明，火星南極冰下很可能有鹽水湖存在（詳見：https://mp.weixin.qq.com/s/Pl7jNjdroXJ92SuMtM1VNw）。

水有了，那大氣呢？

現在的火星只有非常稀薄的大氣層，平均表面氣壓只有6 mbar（也就是0.006 bar，或者600 Pa），距離地球表面的1個標準大氣壓（可以近似認為1 bar）的水平還太遙遠。

那如果把火星現有的二氧化碳儲備，甚至含碳儲備全部轉化成二氧化碳氣體，是不是就可以讓火星再次有厚厚的大氣層了呢？火星的氣壓提高了，那火星移民們在室外工作的時候就可以不用穿著厚重的太空服了呀。而且二氧化碳這種溫室氣體可以給火星保溫，讓火星不再繼續冷卻下去，液態水也可以在火星表面穩定存在了。想想是挺美的…

遠到五十年前的卡爾·薩根[1]，近到SpaceX的創始人伊隆·馬斯克[2]，無數人都這麼想過，也做過大量可行性研究[3]。

△1971年，卡爾·薩根曾嘗試計算如果火星的北極冰蓋融化揮發，釋放的二氧化碳能否改變火星的大氣和生態，讓液態水可以穩定存在，當然，那時候的人們對火星南北極冰蓋的儲量認識是非常不足的。來源：參考文獻[1]

然而，2018年8月《自然·科學》雜誌發表的一篇觀點性的文章卻對此不太樂觀：以人類目前的技術水平，即使把目前火星上所有的含碳儲備全部轉化成二氧化碳氣體，可能也遠遠不足以讓火星達到宜居星球的標準[4]。觀點性文章嚴格說來並不屬於學術論文，這篇文章沿用了前人的研究方法，加入了近20年來多個火星探測器積累的觀測數據，重新梳理了火星上所有可能的二氧化碳來源。

火星上有哪些潛在的二氧化碳儲備呢？

1）南北兩極

火星和地球的自轉軸傾角相似，因此火星也有著和地球相似的季節變化，有終年冰封的南北極冰蓋，這些冰蓋裡就有不少乾冰（固態二氧化碳）儲備。

但是很遺憾，把表面這點冰蓋裡的乾冰全部轉化成二氧化碳氣體也只能把火星大氣壓提高2 mbar。

不過，雷達數據顯示，埋藏在火星極區地下還有一些乾冰，這個更多一點，相當於12 mbar。

此外，根據火星目前極區的溫度和壓強推測，水分子中可能絡合二氧化碳分子，全釋放出來的話最多相當於150 mbar，這倒是量挺大的…不過問題是…這只是理論上的估計，實際上根本沒在火星極區發現過水分子中絡合的二氧化碳，就更談不上用了。

2）火星表層土壤（風化層）

火星的風化層顆粒可以吸附一定的二氧化碳，例如：平均每克玄武巖可以吸附0.002克二氧化碳，每克綠脫石（一種可能出現在火星上的代表性粘土礦物）可以吸附0.005克二氧化碳，每克橙玄玻璃（一種在富含水和二氧化碳的環境下玄武巖高度風化的產物）可以吸附0.015克二氧化碳。

雖然火星全球的風化層厚度變化很大，不同的礦物種類吸附二氧化碳的能力也不同，但反正，如果把這些二氧化碳都弄出來（甭管怎麼弄出來的），滿打滿算估計相當於40 mbar吧。

3）碳酸鹽沉積物

火星的碳酸鹽沉積物，很可能就是火星早期大氣中的二氧化碳進入巖石中反應形成的，也就是說，它們是曾經火星的二氧化碳以另一種形式貯存起來的倉庫。

但火星上目前發現的暴露出來的碳酸鹽礦物區域並不多，合理估計可能只相當於0.25 mbar，滿打滿算也很難超過50 mbar（依然甭管怎麼弄出來）。或許火星地下深處可能還有更多的碳酸鹽沉積物尚未被發現，但一方面目前的技術探測不到，另一方面以目前的技術也難以挖掘和使用。

△火星勘測軌道飛行器（MRO）數據繪製的北半球低緯區域的尼利槽溝（Nili Fossae）平原成分圖，這是火星目前暴露出地表的最大的一片富含碳酸鹽礦物的區域。綠色代表富含碳酸鹽的成分，棕色代表富含橄欖巖的砂粒，紫色代表玄武巖。來源：NASA/ JPL/Caltech/JHUAPL/Univ.of Arizona

以上這些統統加起來，也就只有地球大氣壓的10%。

問題是，以目前的技術，這些二氧化碳儲備其實不可能達到百分百的利用率，只有其中一部分可以最終變為二氧化碳氣體釋放到火星大氣中。更重要的是，由於沒有磁場的保護，火星的大氣還在太陽風的轟擊之下不斷向外散逸——一去不回。

把這些因素也算進去之後，火星的大氣壓應當只能增長到20 mbar，也就是地球大氣壓的2%水平，由此產生的溫室效應升溫最多只有10度，也遠遠不足以讓液態水穩定存在。

也就是說，以人類現有的科技水平，人類如果要移民火星，是不可能自由自在地在戶外活動了。

不過呢，也不用太沮喪，火星移民並不是因此不可能了，我們還是能夠通過建立封閉的火星基地，或者直接住到地下去，讓人類和生物在封閉的環境裡建立生態圈，長久地生活下去的。

再說了，封閉的環境更安全，不容易被隕石砸呢。想開點吧…

參考文獻

[1] Sagan, C. (1971). The long winter model of Martian biology: A speculation. Icarus, 15(3), 511-514.

[2] Musk, E. (2017). Making humans amulti-planetary species. New Space, 5(2), 46-61.

[3] McKay, C. P., Toon, O. B., & Kasting, J. F.(1991). Making Mars habitable. Nature, 352(6335), 489.

[4] Jakosky,B. M., & Edwards, C. S. (2018). Inventory of CO2 available forterraforming Mars. Nature Astronomy, 2(8), 634.

[5] Zent, A. P., Fanale, F. P. & Postawko, S. E. Carbon dioxide: Adsorption on palagonite and partitioning in the Martian regolith. Icarus 71, 241–249 (1987).

文章僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

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