就地取材，按下火星地球化加速键！
就地取材，按下火星地球化加速键！
火星地球化，这个曾经只存在于科幻小说中的概念，如今正逐渐成为现实。芝加哥大学领导的研究团队提出了一种创新的火星改造方案，通过利用火星本地矿物制成的纳米粒子，有望大幅降低火星改造的成本和难度。
将火星改造为更类似地球的环境，使其适合人类定居的想法已经存在了几十年。在那时候提出过的许多方法，因为成本太昂贵，或需要拥有比我们今天更先进的技术等因素而被搁置一旁。然而，改造火星的想法从未消失，并且经常被认为是在火星上建立人类生存点的长期计划的一部分。考虑到众多在月球上建立人类前哨站并以此实施火星任务的计划，火星地球化的可能性或许超出我们的想象。
艺术家对火星地球化的想象图，将火星从目前的状态变成一个宜居的世界。图源：Daein Ballard
不幸的是，任何改造火星的计划都面临着尚未解决的障碍，其中最重要的是费用、距离以及对目前尚不存在技术的需求。引发温室效应并使火星表面变暖需要大量的温室气体，而运输温室气体将是非常困难和昂贵的。然而，由芝加哥大学领导的一组工程师和地球物理学家团队提出了一种用纳米粒子改造火星的新方法。根据他们的可行性研究，这一方法将利用火星表面的现有资源以启动火星地球化的进程。
该团队由西北大学电子与计算机工程系（ECE）的博士后萨马尼·安萨里(Samaneh Ansari)领导。与她合作的还有芝加哥大学地球物理科学助理教授埃德温·凯特(Edwin Kite)；中佛罗里达大学物理系助理教授拉美西斯拉米雷斯(Ramses Ramirez)；芝加哥大学前博士后研究员，现就职于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的利亚姆·j·斯蒂尔(Liam J. Steele)，以及西北大学电子与计算机工程系教授胡曼·莫赫塞尼(Hooman Mohseni)（也是安萨里的博士后导师）。
改造火星的过程可以归结为几个步骤，所有这些步骤都是互补的。也就是说，一个方面的改善必然会对另一个领域产生积极的影响。这些步骤包括：
1）使火星变暖；
2）加厚大气层；
3）融化水冰。
通过火星变暖，极地冰盖和永久冻土将融化，释放液态水到火星表面，并以水蒸汽的形式进入大气。两个冰盖中大量的干冰（尤其是在南半球）也会被释放，使大气变厚并进一步变暖。正如罗伯特·祖布林在《赶往火星》(The Case for Mars)中所说，这种环境下的火星大气压力约为300 mbar（地球海平面大气压的30%），足以允许人们在没有压力服的情况下站在火星的表面（尽管他们仍然需要保暖的衣服和瓶装氧气）。
在过去的改造火星提议中，第一步是通过引发温室效应来实现，最引人注目的是引入额外的温室气体，如二氧化碳、甲烷、氨和氯氟烃。这些温室气体要么需要在火星上开采，要么需要从地球（或金星、土卫六和外太阳系）运输。不幸的是，这些方案将需要一个航天器队伍双向往来于火星、金星或外太阳系之间，或者需要在火星上进行大规模的采矿作业。
相比之下，安萨里和她的同事提出的方案仅涉及使用由当地矿物制成的工程尘埃颗粒*。由于“好奇号”和“毅力号”等任务获得了大量火星岩石和土壤样本，对其进行分析后我们知道火星上的尘埃颗粒富含铁和铝。这些粒子可以被制成大约9微米长的导电纳米棒，仅相当于一根非常细的人类头发丝的宽度，当它们以不同的方式排列时，粒子就会释放到大气中，并且吸收和散射阳光。
1976年6月由维京1号轨道飞行器拍摄的照片，显示了火星稀薄的大气和布满尘灰的红色表面。
为了确定这些粒子对火星大气的影响程度，研究小组利用西北大学的“探寻”（The Quest）高性能计算机集群和芝加哥大学研究计算中心（RCC）的“中途岛2号”（The Midway 2）计算机集群进行了模拟。两组气候模型以10年的粒子寿命为基础展开了模拟，其中纳米粒子以每秒30升的速率持续释放到大气中。他们的研究结果表明，这一过程将使火星温度提升30°C以上，足以引发极地冰盖的融化。
根据模拟，研究小组发现，他们的方法比之前提出的在火星上引发温室效应的方法在效率上提高了5000多倍。此外，平均温度的上升将使火星环境适合微生物生存，这对火星生态改造计划至关重要。通过引入光合细菌（如蓝藻），大气中的二氧化碳可以慢慢转化为氧气。这正是35亿年前氧气成为地球大气组成部分的过程。
正如凯特在《芝加哥大学新闻》的一篇报道中指出的那样，这种方法仍然需要几十年的时间，但就可行性而言，比目前改造火星的计划容易的多，而且成本也低很多。
虽然仍然需要数百万吨原材料来让火星变暖，但已经这比之前让火星变暖所需的温室气体少了5000倍。这大大增加了项目的可行性。这同时也表明，使火星变暖并允许液态水存在的障碍并不像以前想象的那么高。”
这张艺术家的想象图展示了火星大约40亿年前的样子，当时火星的大部分表面都被液态水覆盖。图源：ESO/M. Kornmesser
当然，在这种方法能够在火星上进行实地测试之前，还需要做很多额外的研究。其中最重要的是火星大气变化会如何影响这些粒子的问题。目前，火星经历了云的形成和二氧化碳沉降，二氧化碳沉降是首先以干冰的形式在大气中冷凝，然后以二氧化碳雪的形式落回地表。一旦极地冰盖融化，水可能会在颗粒周围凝结，并以雨滴的形式落回地表，从而使火星经历更多的云层覆盖以及降水。
这些潜在的气候反馈机制可能会导致数不清的问题。但是这个方法最好的一点是它的可逆性。只要停止制造和释放这些颗粒到大气中，变暖效应就会随着时间的推移而结束。更重要的是，这项研究的重点只扩展到使大气变暖的程度，也就是可以使微生物生存并最终能够种植粮食的环境。尽管如此，这项研究为火星地球化提供了一个可行而且更实惠的选择，并足够让整个火星绿化过程开始。
凯特说：“气候反馈机制真的很难准确建模。为了实现这一目标，我们需要更多来自火星和地球的数据，我们需要缓慢且可逆地推进，以确保改造效果如期而至。这项研究为火星探索开辟了新的途径，并有可能使我们更接近长期以来在火星上建立人类可持续生存的梦想。”
俗话说:“千里之行，始于足下。”在当前的情况下，第一步可能是非常艰巨的，这足以和长期保持火星气候持续变化的挑战相比。通过为子孙后代提供一个可行且相对经济实惠的选择，我们可能会实现让火星适合地球生命居住的梦想！
*这个过程被称为原位资源利用(ISRU)，是NASA月球到火星任务架构的主要组成部分，也是未来几十年在月球和火星上建立永久人类基地计划的重要组成部分。
原文作者：
MATT WILLIAMS
『天文湿刻』 牧夫出品
火星旅行想象图