这种方法让火星地球化变得更加现实

这种方法让火星地球化变得更加现实

火星地球化一直是人类探索太空的重要目标之一。最近，科学家们在火星地下水和气候改造方面取得了重要进展，为实现这一目标带来了新的希望。

火星地下水的新发现

火星是距离太阳第四近的行星，与金星并列为地球两大近邻。它在夜空中闪耀着明亮的红点，很容易就能被发现。火星干燥、寒冷、岩石密布，大气层稀薄，表面气压极低。这些因素使得火星难以维持液态水，因为任何地表水都会迅速蒸发或结冰。

然而，火星并非完全没有水。数十亿年前，火星更温暖、更稠密的大气层使水得以流动，河道、湖泊沉积物、三角洲和水蚀岩石就是证据，这些岩石现在被冻结在土壤之下。最近发表在《科学》杂志上的一项研究诉讼中的国家科学院院士这表明火星表面以下 11.5 至 20 公里处可能蕴藏着大量的水。

这些地下水可能填满整个海洋并覆盖地球一至两公里深。“我们还没有发现火星上存在生命的任何证据，但至少我们已经确定了一个原则上应该能够维持生命的地方。”加州大学 (UC) 的这项研究的主要作者 Michael Manga 表示。

了解火星的水循环对于理解火星气候、表面和内部的演变至关重要。这一发现得益于美国宇航局 2018 年发射到火星的“洞察号”着陆器提供的数据。在为期四年的任务中，“洞察号”记录了有关火星内部结构的宝贵信息，探测到了流星撞击、高达 5 级的地震以及火山地区的隆隆声。这些地震事件产生的波使地球物理学家能够探测火星的内部。

科学家利用岩石物理数学模型得出结论，洞察号采集的地震数据表明深层存在一层充满液态水的破碎火成岩。然而，这些水位于火星地壳中部微小的裂缝和孔隙中，这可能会限制其为未来火星殖民地供水的用途。

寻找让火星宜居的方法

在过去的几十年里，人们提出了许多改造火星的方法。1971 年，卡尔·萨根建议蒸发北极冰盖，以显著增加火星上存在液态水的可能性。然而，美国宇航局在 2018 年资助的研究发现，处理火星上所有可用的水源只能将其气压提高到地球气压的 7% 左右，这仍然不足以使火星适宜居住。

虽然火星拥有丰富的二氧化碳，但采矿仍只能提供地球大气压力的 10-14%，导致平均温度上升摄氏10度。火星表面平均温度约为-80华氏度。

几年前，哈佛大学的研究人员建议利用二氧化硅气凝胶（一种轻质透明的固体，可以模拟地球大气的温室效应）使地球适合人类居住。为此，研究人员提出了一种厚度为 2 至 3 厘米的二氧化硅气凝胶防护罩。这种防护罩将传输足够的可见光，使温度永久升高到水的熔点以上，并阻挡危险的紫外线辐射并实现光合作用。所有这些已完成通过将热量困在土壤中而不需要任何内部热源。

这项研究受到启发火星的冰盖包含水冰和冰冻形式的二氧化碳。与二氧化碳的气态形式一样，冰冻形式允许阳光穿透，同时捕获热量，从而在夏季在冰下形成暖区。

然而，这种方法需要制造大量的硅胶，然后运输到火星。

不过，水并不是火星上唯一的问题。大气层也需要为人类提供呼吸条件。美国宇航局的“毅力号”火星车旨在将二氧化碳转化为氧气，自 2 年 2021 月抵达火星以来，该装置生产4.3 盎司氧气。

另一个火星任务揭示由于缺乏保护性磁场，这颗红色星球的大气层不断消失。由于太阳风不断剥离火星的大气层和水，火星需要 10,000 到 20,000 高斯的磁场才能有效地保护自己。不幸的是，创造这种磁场所需的技术尚不存在。

改造火星显然是一项令人兴奋但又困难的任务，似乎以我们目前的技术不可能实现。然而，研究人员不断探索新方法，一项开创性的研究发现了让火星更适合生命生存的新方法。

利用火星尘埃使之适合微生物生存

发表于科学进展本月早些时候，由美国西北大学、芝加哥大学和中佛罗里达大学的研究人员共同开展的研究指出，火星表面三分之一的地区存在浅埋的水，但温度仍然过低，不适合生命生存。

为了使地球变暖，科学家提出了与地球类似的策略，向大气中释放物质以增强自然温室效应。然而，这一过程需要大量原料，而火星表面的原料供应不足。新研究发现，可以利用火星上现成的原料。

该计划的想法是利用人造尘埃颗粒使火星温度升高 50 华氏度（10 摄氏度）以上，使火星温度达到适合微生物生存的水平。与自然尘埃非常相似，这些人造尘埃颗粒可以被扫入高空大气中，从而可以从近地表输送。

这是朝着使火星宜居迈出的一大步，虽然需要几十年的时间，但这种方法比以前使火星变暖的方法效率高出 5,000 多倍。这种在后勤上更简单、成本效益高的策略使我们能够利用火星本身的资源来改变红色星球的环境，因此无需开采稀有的星球资源或从地球进口。

研究表明，以每秒 30 升的速度不断释放灰尘将使整个地球温度升高 ≳30 开尔文，这意味着冰将开始融化。本篇表明如果这种材料可以在火星上大规模制造或运送，那么地球最终可能会变暖使其适合居住。根据该研究的通讯作者、芝加哥大学 (UIC) 地球物理科学副教授 Edwin Kite 的说法：

“这表明，火星变暖并允许液态水存在的障碍并不像之前认为的那么高。”

但这仅仅是个开始，因为火星的稀薄空气仍然不适合人类呼吸。然而，让火星适合微生物生存并逐渐为大气带来氧气无疑奠定了基础。

人类在火星可持续生存又近了一步

火星上丰富的尘埃富含铝和铁，仅凭尘埃本身不足以使火星变暖。尘埃的大小和成分使得它不但不能使火星变暖，反而会使火星表面略微降温。

在最新研究中，研究人员假设，如果灰尘颗粒可以设计成不同的形状或成分，就有可能更有效地捕获热量。因此，研究人员设计了短棒形状的颗粒。这些约 9 微米长的纳米颗粒与市售的闪光粉大小相当。

纳米棒的制造是为了阻挡热红外线，并有效地将阳光散射到火星表面。这些特性增强了火星的自然温室效应，使火星变暖的效果比最好的气体高出 5 × 103 倍以上。据西北大学 Hooman Mohseni 教授团队的研究生、该研究的主要作者 Samaneh Ansari 称：

“光与亚波长物体的相互作用非常令人着迷。重要的是，纳米粒子工程可以产生远远超出我们想象的光学效应按照惯例如此微小的颗粒。”

如果这些粒子持续释放到火星大气中，计算表明温度将跃升超过 50 华氏度。几个月内，这种变暖的大气也可能会很明显。为了逆转变暖，可以关闭粒子的释放，这种影响就会逆转，几年内就会停止。

还有更多完成不过，正如合著者 Mohseni 所认为的，我们可以创造出不仅效率更高，甚至可以“动态改变其光学特性”的纳米粒子。

正如 Kite 所说：

“你仍然需要数百万吨的碳来使地球变暖，但这比之前提出的使火星全球变暖所需的碳量要少五千倍。”

这种方法每年需要2万吨颗粒。有几个因素仍不清楚。例如，科学家尚未发现粒子从大气层中流出的速度有多快。考虑到火星有云和水，当火星变暖并且水开始在粒子周围凝结时，水可能会以雨的形式回落。

“气候反馈确实很难准确建模，”凯特表示，并指出不仅需要来自火星，还需要来自地球的更多数据。“我们需要缓慢而可逆地进行，以确保效果按预期发挥作用，”他补充道。

值得注意的是这项研究的重点是让火星变暖到适合微生物生存的程度，而不是让其适合人类呼吸。

尽管如此，这一创新的火星改造理念标志着研究领域的重大进步，缩小了火星目前宜居状态与我们认为的宜居状态之间的差距。此外，它还为探索开辟了新途径，正如凯特所说，我们可能“距离在火星建立可持续人类居住地的长期梦想更近了一步”。

结语

科幻小说中一直都有关于改造火星以支持人类文明的想法，最新研究表明，这个想法可能在不久的将来成为现实。多年来，人们提出了各种方案，希望让火星变暖，让火星维持液态水，让农作物生长，让人类呼吸。到目前为止，这些都还只是想法和方案。不过，随着时间的推移，改造火星的可行性正在显著提高，而让火星宜居的障碍也在减少。

随着我们对这颗红色星球的了解不断加深和技术的进步，自我维持的环境将会形成，最终使人类能够在火星上长期生存，并为人类创造新的可能性和机遇。