把火星改造成第二个地球,可能吗?

出品:科普中国

制作:haibaraemily

监制:中国科学院计算机网络信息中心

火星,是太阳系中距离地球最近的行星之一。尤其是当人们拨开金星神秘的面纱,失望地发现金星是一颗极度高温高压、酸性大气还有毒的"死星"之后,火星就变得更像一颗温柔可亲的希望之星了。

种种证据显示,曾经的火星很可能和地球一样,是个宜居的"天堂"。那是30多亿年以前,那时候火星的内部还有活力,外部还有较厚的大气层,磁场还能保护火星上的一切。曾经的火星表面,很可能有过充沛的液态水甚至汪洋大海。

曾经的火星假想图。来源:NASA

只是如今,它们都消失了。

火星的内部渐渐冷却,磁场慢慢消失,大气层散逸,然后表面的液态水也不能幸免。

火星的表面,最终变成了如今我们看到的这样:寒冷、干燥,一片死寂。

如今的火星。来源:NASA

但似乎,改造火星并不是没有希望,让火星再一次变得有大气、有水似乎并不是没有可能。

毕竟,近年的许多新发现都是那么地让人欣喜

· 2008年,NASA凤凰号着陆器在火星北极附近的浅层地下挖到了水冰;

· 2018年初,NASA火星勘测轨道飞行器(简称MRO)在火星中纬地区发现了大量纯净的地下水冰(详见:https://mp.weixin.qq.com/s/eKAV84awZh6YQIZPGYJ-xg);

· 2018年7月,欧空局火星快车号探测器的雷达数据表明,火星南极冰下很可能有盐水湖存在(详见:https://mp.weixin.qq.com/s/Pl7jNjdroXJ92SuMtM1VNw)。

水有了,那大气呢?

现在的火星只有非常稀薄的大气层,平均表面气压只有6 mbar(也就是0.006 bar,或者600 Pa),距离地球表面的1个标准大气压(可以近似认为1 bar)的水平还太遥远。

如果把火星现有的二氧化碳储备,甚至含碳储备全部转化成二氧化碳气体,是不是就可以让火星再次有厚厚的大气层了呢?火星的气压提高了,那火星移民们在室外工作的时候就可以不用穿着厚重的太空服了呀。而且二氧化碳这种温室气体可以给火星保温,让火星不再继续冷却下去,液态水也可以在火星表面稳定存在了。想想是挺美的…

远到五十年前的卡尔·萨根[1],近到SpaceX的创始人伊隆·马斯克[2],无数人都这么想过,也做过大量可行性研究[3]。

1971年,卡尔·萨根曾尝试计算如果火星的北极冰盖融化挥发,释放的二氧化碳能否改变火星的大气和生态,让液态水可以稳定存在,当然,那时候的人们对火星南北极冰盖的储量认识是非常不足的。来源:参考文献[1]

然而,2018年8月《自然·科学》杂志发表的一篇观点性的文章却对此不太乐观:以人类目前的技术水平,即使把目前火星上所有的含碳储备全部转化成二氧化碳气体,可能也远远不足以让火星达到宜居星球的标准[4]。观点性文章严格说来并不属于学术论文,这篇文章沿用了前人的研究方法,加入了近20年来多个火星探测器积累的观测数据,重新梳理了火星上所有可能的二氧化碳来源。

火星上有哪些潜在的二氧化碳储备呢?

1)南北两极

火星和地球的自转轴倾角相似,因此火星也有着和地球相似的季节变化,有终年冰封的南北极冰盖,这些冰盖里就有不少干冰(固态二氧化碳)储备。

但是很遗憾,把表面这点冰盖里的干冰全部转化成二氧化碳气体也只能把火星大气压提高2 mbar。

不过,雷达数据显示,埋藏在火星极区地下还有一些干冰,这个更多一点,相当于12 mbar。

此外,根据火星目前极区的温度和压强推测,水分子中可能络合二氧化碳分子,全释放出来的话最多相当于150 mbar,这倒是量挺大的…不过问题是…这只是理论上的估计,实际上根本没在火星极区发现过水分子中络合的二氧化碳,就更谈不上用了。

火星南北极冰盖,其中既有水冰,也有干冰(固态二氧化碳)。来源:NASA

2)火星表层土壤(风化层)

火星的风化层颗粒可以吸附一定的二氧化碳,例如:平均每克玄武岩可以吸附0.002克二氧化碳,每克绿脱石(一种可能出现在火星上的代表性粘土矿物)可以吸附0.005克二氧化碳,每克橙玄玻璃(一种在富含水和二氧化碳的环境下玄武岩高度风化的产物)可以吸附0.015克二氧化碳。

火星上三种可能的代表性矿物吸收二氧化碳能力。改编自:参考文献[5]

虽然火星全球的风化层厚度变化很大,不同的矿物种类吸附二氧化碳的能力也不同,但反正,如果把这些二氧化碳都弄出来(甭管怎么弄出来的),满打满算估计相当于40 mbar吧。

3)碳酸盐沉积物

火星的碳酸盐沉积物,很可能就是火星早期大气中的二氧化碳进入岩石中反应形成的,也就是说,它们是曾经火星的二氧化碳以另一种形式贮存起来的仓库。

但火星上目前发现的暴露出来的碳酸盐矿物区域并不多,合理估计可能只相当于0.25 mbar,满打满算也很难超过50 mbar(依然甭管怎么弄出来)。或许火星地下深处可能还有更多的碳酸盐沉积物尚未被发现,但一方面目前的技术探测不到,另一方面以目前的技术也难以挖掘和使用。

火星勘测轨道飞行器(MRO)数据绘制的北半球低纬区域的尼利槽沟(Nili Fossae)平原成分图,这是火星目前暴露出地表的最大的一片富含碳酸盐矿物的区域。绿色代表富含碳酸盐的成分,棕色代表富含橄榄岩的砂粒,紫色代表玄武岩。来源:NASA/ JPL/Caltech/JHUAPL/Univ.of Arizona

以上这些统统加起来,也就只有地球大气压的10%。

问题是,以目前的技术,这些二氧化碳储备其实不可能达到百分百的利用率,只有其中一部分可以最终变为二氧化碳气体释放到火星大气中。更重要的是,由于没有磁场的保护,火星的大气还在太阳风的轰击之下不断向外散逸——一去不回。

把这些因素也算进去之后,火星的大气压应当只能增长到20 mbar,也就是地球大气压的2%水平,由此产生的温室效应升温最多只有10度,也远远不足以让液态水稳定存在

也就是说,以人类现有的科技水平,人类如果要移民火星,是不可能自由自在地在户外活动了。

不过呢,也不用太沮丧,火星移民并不是因此不可能了,我们还是能够通过建立封闭的火星基地,或者直接住到地下去,让人类和生物在封闭的环境里建立生态圈,长久地生活下去的。

再说了,封闭的环境更安全,不容易被陨石砸呢。想开点吧…


参考文献

[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).

文章仅代表作者观点,不代表中国科普博览立场

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