人类移民火星？｜星星背后的物理（第十九弹）
太阳及太阳系八大行星。来源：Pixabay
撰文：张天蓉（美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士）
责编：寒凌旭
审校：张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）
郑永春（中国科学院国家天文台副研究员）
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人类爱做梦，古人做梦嫦娥奔月，现代人做梦殖民火星。“奔月”表达了人类的好奇心和探索宇宙的美好愿望，“殖民”听起来就有点赤裸裸了，暴露了人类“征服”的欲望和贪婪的本性。也许可以说得好听一点，将“殖民”改成“移民”，后一个词出于人类对地球未来命运的担忧。总而言之，“殖民火星”的正面意思是，地球人想为自己寻找另一个可以“移居”的家园，以防万一，在地球发生灾难时有地方逃生。
地球未来的灾难
世界上没有万无一失的事情，虽然没有人能够真正预言所谓的“世界末日”，但地球发生毁灭性灾难的可能性总是存在。所谓天灾人祸，避开“人祸”不谈，从地球诞生到现在大约46亿年左右的时间，地球上生命所经历的自然灾难也不少，包括超级地震、火山爆发、洪水泛滥等等，其中有好些次毁灭性的，比如6500万年前的恐龙大灭绝。
地球灾难是许多科学家致力研究的重点，每一个领域的科学家对于灾难的认识不一样，天文学家对此有些什么说法呢？
地球是太阳系的一员，它的生存依赖于太阳。恒星演化有其固有周期，也有意料不到的情况。根据现代天文学的理论，太阳的温度在逐渐升高，50亿年后会变成一颗红巨星。在这期间中，太阳内部的物质以及周围的电磁场都处于激烈的运动和变化中，也许会发生一些突发事件，引起地球意料不到的灾难，这是人类难以预料的。
比如说，笔者之前的文章中介绍过的“太阳风”，与太阳黑子的活动规律有关。黑子活动高峰时的太阳风，携带着大量高速粒子流，有可能完全破坏地球的磁场，对人类形成致命的威胁。
地球将来也有超级火山爆发以及大地震的可能性，地球上曾遭遇过至少六次毁灭性的火山爆发。近年来学界和媒体上讨论比较多的是黄石公园地下超级火山爆发的可能性。黄石公园火山目前处于它的活动期。根据历史上对该火山爆发周期的研究，大爆发分别发生于200万年、130万年和64万年之前。看起来，它周期是65-70万年左右。现在，又差不多到了它的喷发时间。
美国西部的加州附近位于太平洋底部的卡斯卡迪亚断层，如发生断裂则有可能引发规模9.0以上的超强地震，大地震之后通常伴随着巨大的海啸。地球的这些积累数年之压力而造成的隐患一旦发生，不一定是局限于某个国家和地区的问题，而是有可能对地球人类整体造成毁灭性的灾难。
除去以上所述，由于地球自身原因引发的灾祸，从天文学的观点看，还有其他类型的造成地球灭顶之灾的可能性。
宇宙空间中充满各种各样的天体，太阳系中有数百万颗小行星，此外还有彗星、流星、太空碎片等，其中有一部分小天体的运行轨道与地球轨道有可能交叉，天文学家们将此类可能与地球距离很近的天体叫做“近地天体”。当某个近地天体的体积及质量大到足够时，如果与地球相撞便会给地球带来灾难。评估这些天体与地球发生碰撞的可能性是如今研究的热门课题之一，因为这是有关地球未来生存的问题。
别小看小行星撞击地球的力量，如果有一颗直径超过45米的小行星击中伦敦，将能使整个欧洲毁灭。一颗直径10公里大小的天体可能会将地球大部分夷为平地。天文学家们估计大约有1500颗直径1公里大小的小行星已经或正在掠过地球的轨道。经过计算，人们认为。每隔50万年左右，就会有一颗直径大约1公里大小的小行星撞击地球一次。
就在几年前，2013年2月15日，俄罗斯车里雅宾斯克市，发生过一起被小行星撞击的事件。陨石进入大气层时直径约15米，质量约7千公吨，在天空中留下大约10公里长的轨迹。据说主要的碎片落到了湖中，但因为碎玻璃和建筑物的震动，仍然造成了1,491人受伤。由此事件可知，小行星撞击地球是现实中可能发生的，不可小觑。
天文学家们也在估算被称为“太空吸尘器”的黑洞吞噬地球的可能。黑洞是宇宙中大多数恒星的最后归宿，数量将越来越多，地球被这一“吸尘器”吞没的可能性也越来越大。另外，宇宙中还存在很多不可抗力和未解之谜，这些都有可能影响地球未来的命运。
还有可能存在的“外星人”。一旦某种“地外文明”发现我们的地球是如此适合高等生物居住，人类无法阻止被殖民！对此，我们想想哥伦布当年发现新大陆后的过程便能理解了。与其被殖民，不如先考虑如何殖民别的星球。
所以，这种担忧并不完全是杞人忧天，地球的确面临着各种可能的灾难。由此，物理学家霍金说： “人类不应该将所有的鸡蛋都放在一个篮子里，或一个星球上。希望我们可以将篮子容量扩大后再将其扔掉。”既然人类现在已经有了一定的太空知识和航天能力，理所当然地应该考察一下移民地外星球的可能性。
寻找第二家园
哪些天体被人类考虑作为移民地的对象？
太阳系之外的星球距离我们太远了，一下子去不了，人类发射的航天器中迄今为止飞得最远的旅行者1号才刚刚离开太阳系。所以，我们暂时只能首先考虑太阳系内的天体。月亮离地球最近，当然位列第一，此外，离地球最近的行星是金星和火星，还有太阳系中行星的一些卫星，如土卫6、凯伦等。
要寻找适合人类生存的天体，有哪些要点需要考虑？一是距离太阳的距离，二是天体表面的温度，三是大气层的成分，比如其中有无氧气。大气层决定了星体表面的气候。此外，还有一个颇为重要的因素，星体上有没有水？
事实上，根据最新天文探索的结果，太阳系中存在“水”的星球还是不少的。比如不久前NASA的航天器在水星和月球阴影下环形山的坑内均发现了水冰存在的迹象。但是，像地球这样在表面存在大量液态水的星球却不多。地球圈以内的行星离日太近，在太阳这个大火球的焚烧下，即使曾经有过水，也被逐渐蒸发掉了，比如离太阳最近的水星，它朝向太阳的一面，温度达到400℃以上，锡、铅等金属都会熔化，水则变成了水蒸气，水星的体积很小，只和月亮相当，没有足够的引力将水蒸气聚集周围，大部分水蒸气都散发到宇宙中去了。而水星背向太阳的一面，长期不见阳光，温度在－173℃以下，所以也不太可能有液态的水。
离太阳第二远的是金星。金星的结构和大小比较接近地球，因此有人称金星是地球的孪生姐妹，但实际上两个星球只是“貌合神离”的姐妹，因为它们的环境相差很大。金星表面温度很高（470℃左右），大气压力是地球的90倍，即使有少量液态水，也不会是一个适合人类生存的地方。
比地球离太阳更远的行星中，木星和土星是气态巨行星，更远的天王星海王星是冰巨行星，显然都不适合居住。这些行星的几个卫星，如木卫三、木卫二、木卫四、土卫二、土卫六，以及几个小行星（比如谷神星），倒有可能存在冰下海洋等可居住条件，但还有待进一步的考察和探索。
说实话，地球虽然不是像“地心说”所宣称的宇宙中心，只是茫茫宇宙中的一颗“小尘埃”，但这个天体却有它得天独厚之处。地球是一颗距离太阳不远不近，大小和质量都恰到好处的星球，就它离日的距离而言，可算是太阳系中唯一处于“可居住地带”的行星。而地球的质量大小使得它刚好能保存合适的大气层和大面积的海洋。
如果地球质量太小，所有气态（或液态）物质都会飞离，只剩下坑坑洼洼的固态表面，类似月球。质量太大也不行，大气层会太厚且充满各种无用有害的气体，现在的地球质量，恰好能吸引住大气层中如氦气、氧气和二氧化碳这类较重的气体，并与液态水海洋形成重要而必须的生化循环，促进生命繁衍，滋润万物生长。
基于上述种种因素，人类将“殖民星球”的目标首先指向与地球最相似的火星。
那么，为什么我们不首先考虑移民到月球上去呢？月球的优势是离地球最近，能够最快到达，但它毕竟是一颗依赖于地球的卫星。月亮与地球的命运息息相关，当地球发生灾难的时候，月亮恐怕也难以生存。再则，月球的质量太小，靠它自身的引力不足以拥有大气层和足够的自给自足的水分及其它资源。要想在月亮上生活，几乎所需要的一切都必须从地球上供给。因此，月球顶多只能作为一个“中转站”或“基地”，而不是殖民的目标。
比较起来，还是火星的环境与地球比较接近。我们用数字来说明问题。
火星是地球的弟弟，它的直径只约为地球的一半，见图1a，自转周期为24小时37分，只比地球的多一点点。因此，1个火星日只比1个地球日长41分19秒。当然，火星和地球的公转周期是不一样的，行星绕太阳的周期T与它离太阳的距离a有关系（T2正比于a3），因为转动的离心力需要与引力相平衡。
火星离太阳大约是日地距离的1.5倍，可得1火星年（公转周期）约等于1.88地球年。火星的自转轴相对于公转轨道平面的傾斜角度约为25.19度，也与地球的相当。自转轴倾角决定了一年中4季的变化，使得火星有着类似地球的四季交替，但是，由于火星绕太阳公转周期是地球的1.88倍，所以火星上4季的每一个季度，长度都大约为地球一季的1.88倍。地球人活了将近2岁，火星人活了1岁。
图1：火星是太阳系中与地球最类似的星系
另外，火星的公转轨道偏心率为0.093，比地球的0.017大很多。也就是说，火星轨道是一个更扁的椭圆，近日点和远日点相差更大，这使得一年四季中各季节的长度不一致。自转轴倾角和轨道离心率的长期变化比地球的大很多，由此而造成了气候的长期变迁，火星表面的平均温度比地球低30摄氏度以上（人类移民过去要准备挨冻了！）。再则，火星比地球小很多，质量只有地球的1/9，力气太小抓不住如地球那么多的大气，但还总算有一个既稀薄又寒冷、以二氧化碳为主的大气层。火星的质量小，重力只有地球上重力的30%，所以，在火星上跳来跳去要容易多了。
此外，火星有两个形状不规则的，比月球小很多的天然卫星：火卫一和火卫二。它们的最长直径各为27公里和16公里，月球直径是3483.36公里。
探索火星的秘密
火星给早期人类的第一印象是一颗通红而又亮丽的星。中国古人以为它的表面一定是火热火热的，因而将它以“火”命名，西方人以为那上面正在发生火热的战争，将其以战神命名。但实际上。火星呈现红色的原因不是因为温度，而是因为火星表面有大量的氧化铁沙尘，也就是通常我们看到的铁锈的颜色。火星的岩石中含有较多的铁质，火星上干燥的气候使岩石风化，铁锈飞扬，发展成覆盖全球的红色砂尘暴，在地球人眼中呈现出红色的面貌。
这颗火红的星球对人类有一种特殊的吸引力。人类从17世纪初开始使用望远镜对火星进行观测。随着观测技术的进步，人类对火星表面“看”得越来越清楚了，见图2。
特别是每隔26个月，地球与火星之间的距离出现最小值，那时的太阳、地球、火星排列成一条直线，称为火星“冲日”现象。这恰好为人类提供一个能够很好观察火星的时间窗口。
图2：人类对火星表面认知的历史变迁
航天时代来临，人类航天的目标首先指向月球，那是因为月球更近——除了月球便轮到火星了！几十年的航天史中，人类早就已经试图向火星发射探测器。
火箭先驱冯·布劳恩在1948年的“火星计划”一书中就设想用1000支三节火箭建立一个包含10艘太空船的船队。船队可以运载70个太空人到火星执行任务。前苏联和美国除了登月竞赛之外，火星也是一大目标，但这条路上充满坎坷，大约三分之二的火星探测器，特别是苏联早期（从1960年开始到70年代）发射的探测器，都没有成功地完成使命而失败了。不过，到目前为止，仍然已有超过30枚探测器到达过火星并发回了大量宝贵资料（注1）。
美国的水手4号于1964年12月28日发射升空，是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器。美国宇航局2011年发射的好奇号火星探测车，2012年降落在火星上，现在已经辛苦地工作了近1600天。发回大量有用数据。
目前，美国航天局的专家们认为已经有确凿的证据表明，足够的液态水曾经（30多亿年前）形成一片海洋，长期存在于火星的表面，几乎覆盖火星北半球一半的地表。据说好奇号发现了一片远古河床，表明火星上曾经有过适宜生命生存的环境。可是后来，不知什么原因，这颗行星逐渐干涸，目前发现有一部分水留在了火星极冠和地表以下。航天探测器的雷达资料显示，火星两极和中纬度地表下存在大量的水冰，并观察到类似地下水涌出的现象。最近有消息说，探测器首次在火星大气中捕捉到了氧原子存在的证据。
远古的火星存在海洋！这是个十分有趣的消息。看起来，在遥远的古代，地球上还没有高等生物之前，火星上却存在大量的液态水。那时的火星可能不是红色的，而是绿色的或蓝色的，类似于地球现在的样子！
我们不妨进一步来点文学的想象，实际上不少科幻作品早就已经想到了：那时候的火星上可能存在一个高度发达的“火星人文明社会”。发达到了什么程度呢？恐怕已经超过了或相当于人类现在的水平，恐怕已经具有了“殖民地球”的能力，正在准备改造地球，考虑大规模移民的过程中！然后，突然有一天发生了大事，发生了当时的发达火星人也控制不了的火星大灾难。于是，火星上的生物灭绝、洪水泛滥、天体震荡、地貌改观，火星成为一个无法居住的星球，所幸当初已经有少量火星人移居了，他们的命运如何呢？那就凭你的想象力任意驰骋了……
图3：好奇号拍摄的火星
图3是好奇号在火星上拍摄的照片。图3a是好奇号的“自拍像”：一个结构颇为复杂又“好奇”的航天器，悠然漫步在火星的红色荒漠中。图3b则呈现了火星上见到的太阳景象，落日时的画面虽然简单，可这其中也蕴藏着不少的物理道理。
火星天空上的太阳要比地球上所见的更小，光线更暗淡，这两点容易理解，因为火星离太阳比地球更远，大约1.5倍。越远的光源看起来越小越暗淡，这是常识。但是，我们在地球上看到的夕阳，会将天际染红，怎么在火星上的落日以及周围天空，却都变成了淡蓝色的呢？其原因也是和铁锈为主的沙尘有关系。尘埃充斥于火星的大气层中，红光与黄光容易被这些尘土散射或吸收掉，而蓝光则能更有效地穿过火星大气层到达航天器的摄影镜头，因而使我们见识了一个与地球上看到的不一样的“蓝色太阳”。
总之，随着人类技术的不断进步，火星的秘密正在被逐步揭开。它现在的状态与地球有相似之处，也有许多不同点，要想移民火星，还得先改造它（注2）。
火星地球化
人类要在火星建立永久定居点，首先必须按照地球的生存环境来改造火星，即使火星地球化。尽管目前的火星并不适合人类居住，但不少人相信，火星的环境可以通过在现时技术上已经可以实现的人为手段被逐渐改变，并且提出了各种改造方法。然而，实现火星地球化不是一朝一夕的事，而是一个长期的过程，需要几百上千年的功夫。
比如说，火星上的目前的环境比地球极端得多，大部分动植物都无法生存，可能有部分微生物和地衣能够生长繁殖。那么，人类就得从种植繁衍这些简单生物开始，向火星表皮土引进细菌和战略性植物，一代又一代地逐步建立形成一个人造的生物循环圈，依靠生物链的进化来进一步达到改变环境、改变大气层的厚度和成分的目的，使火星越来越适合高等生物的居住。需要以确保植物获取必要的营养。
火星的大气层非常稀薄，仅相当于地球大气层的0.7%，只可以抵挡部分的太阳辐射和宇宙线。火星大气层当中有95％的二氧化碳和极少量的氧气。这样比例的氧气不够呼吸，二氧化碳的分压却远远高于人类中毒的极限值。
因此，最开始移民的人类或宇航员，只能在人造建筑物或改造了的火星洞穴中生活，必须如同当前的太空飞行器一样，配有压力设备，维持足够的气压。以上种种设备和方法，都需要能源才能得以维持。
最开始，人类可以考虑地球上带去燃料作为能源，长远之计则需要考虑如何利用火星上的资源进行核反应产生能量，或者是制造太阳能电池以利用太阳能等等方法。化学能、核能、及太阳能，均可利用。关键是要考虑在火星的环境下，如何做到自给自足地利用这些能量，而不是长期依赖于地球的原料供给。
国际上有多个团体在推动火星殖民，提出了各种方案和计划（注3）。加拿大和美国建立了一些火星模拟研究站，在地球上模拟火星环境进行研究。
参考资料：
【1】维基百科：火星探测
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB%E6%98%9F%E6%8E%A2%E6%B5%8B
【2】史蒂芬．彼車奈克（Stephen L. Petranek），《如何在火星上生活》，鄧子矜 译， 2016年1月。京东：https://item.jd.com/16088690.html
【3】维基百科：火星殖民 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB%E6%98%9F%E6%AE%96%E6%B0%91#cite_note-autogenerated1-19
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