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天问一号探测器已经成功发射，本以为路上无他事，探测器会安静的按照牛顿定律飞向火星，大约在明年的春节期间就可以到达火星了。 可是就在它飞离地球120万千米的时候偏偏回头看了一眼，给地球和月球拍了一张同框合影，存在感陡然提升。那这次咱们就接着上次的话题来聊聊人类真的能按照地球的样子改造火星吗？  地球漂浮在广袤的宇宙之中，人类已经用进化的历程证明了自己可以多么神奇的适应这个星球上各种极端的环境。从亚马逊的热带雨林到格陵兰岛北部的常年严寒，人类足迹可以说已经遍布这个星球，但是我们摆脱地球的脚步却停留在了地月系的范围之内。人类自身的进化可以说是被地球定制的，我们对环境的各种依赖决定了不管去到哪里，只要离开地球，生命维持系统将会一直伴随在身边。 探月首席科学家欧阳自远在介绍天问一号探测器科学任务的时候，第一个就提到了探索火星生命的目标，地球需要一个兄弟姐妹，人类也需要另一个适合生存的家园。所以我们就很自然的开始将火星作为改造的目标，将大气改造得适合人类呼吸，将温度提升到适合人类居住。 那我们人类目前有能力去改造另一个星球吗？ 许多科学家在对火星的进化历史以及自20世纪60年代以来各次火星探测任务中探测器收集到的信息进行仔细研究之后，认为火星上曾经存在过流动的河流、湖泊以及至少一片海洋，火星曾经气候湿润，而且有可能存在生命。但是这只是曾经，目前的火星毫无生气。 科学家们在研究中发现，水、大气密度和气温这三者之间确实存在着相互联系。改造火星并非没有可能，如果火星地表的温度可以有所升高，一些现在是被冻住的气体就有可能被释放出来，使大气密度得以提高，从而产生温室效应。这个过程不断循环，将使火星温度进一步升高，固态水融化，尤其是在靠近赤道地区的那些固态水。 融化的水会四处流动。液态水将使火星的环境适合在自然环境中进行植物种植。然后，植物将释放氧气，增加火星空气中的氧气浓度。就这样，和地球一样，火星上所有生命和生态环境所需的关键要素就密不可分地联系在一起了。  改变和重新建立火星环境的这个过程被称为“星球改造”（terraforming），更准确的词语应该是“行星改造工程”（planetary engineering）。美国宇航局将之称为“行星生态综合改造”（planetary ecosynthisis）。尽管 “星球改造”一词被认为是来自于众多科幻小说家，但天文学家卡尔·萨根在1961年就已经提出过将金星“改造”为适合人类居住环境的构想。但是金星已经被我们的探测数据pass掉了。 星球改造的第一步是使火星变暖，在众多方法中，最酷也是最快的一种方式，是在火星地表安装很多巨大的镜子，通过将太阳光反射回地面使地表升温。这种方法在火星南极附近将特别有效。然而，这种方案同时也是最昂贵、技术难度最大的。用于反射太阳光的镜子将由聚酯类高分子薄膜制成，外面覆盖一层很薄的铝；这些镜子可灵活转动，就像太阳帆一样。镜子将会大得超乎想象，宽度达240千米。它们太重，并不适合从地球运输，因此这些镜子将在火星上制造。 火星学会的罗伯特·组布林比较推崇这种使火星变暖的方法，并且计算出一面宽240千米的镜子可以将火星南极区域的温度提高10℃。这样的温度提升将足以释放出大量的二氧化碳。二氧化碳的释放将触发类似于“失控温室效应”的过程。气温升高使火星风化层中的固态水融化并进一步释放水蒸气。如果设置一个宽度近500千米的镜子将使温度提升的速度加倍。  除此之外还有一些方案，不管是让小行星撞击火星表面，还是利用经过基因改造的细菌排放温室气体，都还存在各种各样的问题。最简单易行的一种方法仍然是利用太阳帆使火星两极升温。利用太阳帆的主要问题是成本，但这种方法的好处是不需要用到我们至今尚未掌握的技术。 一旦火星有了足够的温度使水开始流动，我们应该就可以向火星移植一些顽强的地球植物，在那里，它们将很容易在富含二氧化碳的大气中生长，并迅速繁殖。随着植物覆盖范围的扩大，将产生数量可观的氧气。但氧气并非温室气体，相反，可能会有降低火星气温的作用。由于火星大气稀薄，引力场较弱，我们引入到火星的温室气体最终都会被分解，因此，必须持续地补充和改造火星大气。 在我们所设计的火星改造行动计划中，很多环节之间的相互作用可能是有利的，也可能伴随着不可预知的危险。顺利的话，越多固态水融化成流动水，就有越多的细菌可以将硝酸盐降解，生成氮气并排入大气，使火星的大气环境更有利于植物生长，进而增加火星大气中氧气的含量。这些过程之间有着惊人的互相促进的作用。  在星球改造的过程中，也包括唤醒远古生物的可能性。尽管我们还没有证据证明在火星上曾经存在过生命，但“好奇号”探测器已经证明火星确实存在形成生命基本单元的化学物质。水是支撑生命的关键要素，因此我们有理由相信火星并不是一直像如今看起来这般毫无生命迹象的。随着火星变暖，可能就会有类似于苔藓的植物在生长。如果真的出现随着火星变暖而复苏的火星生物，它们将极大地加快人类对火星的适应过程。 星球改造既面临如何使火星变暖这样的短期问题，也面临如何将有毒的火星空气改造得可供人类呼吸这样的长期问题。相对于星球改造过程中的其他课题，科学家和工程师们关于如何使火星有氧化的提案显得粗略和含糊得多。即使是最乐观积极的火星大气环境改造方案，也计划要用900年的时间才可完成。而这样的时间尺度，人类也有可能会发生惊人的变化，因此有理由相信我们也许真的可以成功的。  现在，我们来回顾一下目前已经掌握的关于火星大气改造的认识。 随着我们将火星变暖，水开始流动，水合反应将会发生，进而产生硝酸盐并释放氮气，这将对植物生长起到至关重要的作用。我们种植的植物越多，火星上就会有越多的氧气。而且，在遍布火星的红色尘埃里有数量庞大的氧原子，这些尘埃的主要成分是铁氧化物。当水流过风化层，就会把里面的很多氧化物分解，释放出氧气。 太阳和宇宙辐射会是植物生长的不利因素，但随着火星变暖以及火星大气变得更加浓密，成分以二氧化碳为主，辐射的危害可以大大地被减弱。虽然大量二氧化碳的存在对人类生存有很大危害，却有利于植物的生长。植物可以消耗二氧化碳并排出氧气。 已故的物理学家理查德·费曼常说，树其实不是陆地植物，它们在空气中生长。植物生长主要依靠阳光和二氧化碳，当然，大部分植物也需要依靠土壤获得水分。 植物在火星这个富含二氧化碳的环境中将繁盛生长，也许我们的基因改造能力会创造出一些可以在火星上生长得更好、更快的植物品种。我们不能指望植物自己就能完成任务，只有通过人类的改造，才能在高辐射、低大气压力并且缺乏氮气的环境中生存。最终，基因改造可能是拥有可呼吸空气的关键技术。  关于火星大气环境改造有可能需要上千年的时间，这个时间并没有把可预见的科学和技术进步因素考虑进去。2014年9月，美国宇航局的“MAVEN”探测器进入火星轨道。它主要是用于研究火星的高层大气和电离层，让我们了解目前火星上留存的大气有多少正在被太阳风卷入太空，并且探究曾经是什么让火星从一个温暖湿润的星球变成了如今这样寒冷干旱的地方。 我们目前可以确定的是，人类关于火星的认识正在呈指数级增加，我们的生物工程技术也在快速发展，人类正在迅速变得更加聪明。回看300年前的18世纪我们对生物科技和化学的认识，然后想象一下300年之后，推测我们可能获得的科学认知。也许那时大部分现在的知识都会过时。火星的未来也许真的值得期待。 关于行星改造的话题，就先说到这，下一期咱们接着来聊物质是什么，下周见。 “科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于天文爱好者，此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们，这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新！ |
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