人類移民火星？星星背後的物理

撰文：張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士）

責編：寒凌旭

審校：張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）

鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）

人類愛做夢，古人做夢嫦娥奔月，現代人做夢殖民火星。「奔月」表達了人類的好奇心和探索宇宙的美好願望，「殖民」聽起來就有點赤裸裸了，暴露了人類「征服」的慾望和貪婪的本性。也許可以說得好聽一點，將「殖民」改成「移民」，後一個詞出於人類對地球未來命運的擔憂。總而言之，「殖民火星」的正面意思是，地球人想為自己尋找另一個可以「移居」的家園，以防萬一，在地球發生災難時有地方逃生。

地球未來的災難

世界上沒有萬無一失的事情，雖然沒有人能夠真正預言所謂的「世界末日」，但地球發生毀滅性災難的可能性總是存在。所謂天災人禍，避開「人禍」不談，從地球誕生到現在大約46億年左右的時間，地球上生命所經歷的自然災難也不少，包括超級地震、火山爆發、洪水泛濫等等，其中有好些次毀滅性的，比如6500萬年前的恐龍大滅絕。

地球災難是許多科學家致力研究的重點，每一個領域的科學家對於災難的認識不一樣，天文學家對此有些什麼說法呢？

地球是太陽系的一員，它的生存依賴於太陽。恆星演化有其固有周期，也有意料不到的情況。根據現代天文學的理論，太陽的溫度在逐漸升高，50億年後會變成一顆紅巨星。在這期間中，太陽內部的物質以及周圍的電磁場都處於激烈的運動和變化中，也許會發生一些突發事件，引起地球意料不到的災難，這是人類難以預料的。

比如說，筆者之前的文章中介紹過的「太陽風」，與太陽黑子的活動規律有關。黑子活動高峰時的太陽風，攜帶著大量高速粒子流，有可能完全破壞地球的磁場，對人類形成致命的威脅。

地球將來也有超級火山爆發以及大地震的可能性，地球上曾遭遇過至少六次毀滅性的火山爆發。近年來學界和媒體上討論比較多的是黃石公園地下超級火山爆發的可能性。黃石公園火山目前處於它的活動期。根據歷史上對該火山爆發周期的研究，大爆發分別發生於200萬年、130萬年和64萬年之前。看起來，它周期是65-70萬年左右。現在，又差不多到了它的噴發時間。

美國西部的加州附近位於太平洋底部的卡斯卡迪亞斷層，如發生斷裂則有可能引發規模9.0以上的超強地震，大地震之後通常伴隨著巨大的海嘯。地球的這些積累數年之壓力而造成的隱患一旦發生，不一定是局限於某個國家和地區的問題，而是有可能對地球人類整體造成毀滅性的災難。

除去以上所述，由於地球自身原因引發的災禍，從天文學的觀點看，還有其他類型的造成地球滅頂之災的可能性。

宇宙空間中充滿各種各樣的天體，太陽系中有數百萬顆小行星，此外還有彗星、流星、太空碎片等，其中有一部分小天體的運行軌道與地球軌道有可能交叉，天文學家們將此類可能與地球距離很近的天體叫做「近地天體」。當某個近地天體的體積及質量大到足夠時，如果與地球相撞便會給地球帶來災難。評估這些天體與地球發生碰撞的可能性是如今研究的熱門課題之一，因為這是有關地球未來生存的問題。

別小看小行星撞擊地球的力量，如果有一顆直徑超過45米的小行星擊中倫敦，將能使整個歐洲毀滅。一顆直徑10公里大小的天體可能會將地球大部分夷為平地。天文學家們估計大約有1500顆直徑1公里大小的小行星已經或正在掠過地球的軌道。經過計算，人們認為。每隔50萬年左右，就會有一顆直徑大約1公里大小的小行星撞擊地球一次。

就在幾年前，2013年2月15日，俄羅斯車裡雅賓斯克市，發生過一起被小行星撞擊的事件。隕石進入大氣層時直徑約15米，質量約7千公噸，在天空中留下大約10公里長的軌跡。據說主要的碎片落到了湖中，但因為碎玻璃和建築物的震動，仍然造成了1,491人受傷。由此事件可知，小行星撞擊地球是現實中可能發生的，不可小覷。

天文學家們也在估算被稱為「太空吸塵器」的黑洞吞噬地球的可能。黑洞是宇宙中大多數恆星的最後歸宿，數量將越來越多，地球被這一「吸塵器」吞沒的可能性也越來越大。另外，宇宙中還存在很多不可抗力和未解之謎，這些都有可能影響地球未來的命運。

還有可能存在的「外星人」。一旦某種「地外文明」發現我們的地球是如此適合高等生物居住，人類無法阻止被殖民！對此，我們想想哥倫布當年發現新大陸後的過程便能理解了。與其被殖民，不如先考慮如何殖民別的星球。

所以，這種擔憂並不完全是杞人憂天，地球的確面臨著各種可能的災難。由此，物理學家霍金說： 「人類不應該將所有的雞蛋都放在一個籃子里，或一個星球上。希望我們可以將籃子容量擴大後再將其扔掉。」既然人類現在已經有了一定的太空知識和航天能力，理所當然地應該考察一下移民地外星球的可能性。

尋找第二家園

哪些天體被人類考慮作為移民地的對象？

太陽系之外的星球距離我們太遠了，一下子去不了，人類發射的航天器中迄今為止飛得最遠的旅行者1號才剛剛離開太陽系。所以，我們暫時只能首先考慮太陽系內的天體。月亮離地球最近，當然位列第一，此外，離地球最近的行星是金星和火星，還有太陽系中行星的一些衛星，如土衛6、凱倫等。

要尋找適合人類生存的天體，有哪些要點需要考慮？一是距離太陽的距離，二是天體表面的溫度，三是大氣層的成分，比如其中有無氧氣。大氣層決定了星體表面的氣候。此外，還有一個頗為重要的因素，星體上有沒有水？

事實上，根據最新天文探索的結果，太陽系中存在「水」的星球還是不少的。比如不久前NASA的航天器在水星和月球陰影下環形山的坑內均發現了水冰存在的跡象。但是，像地球這樣在表面存在大量液態水的星球卻不多。地球圈以內的行星離日太近，在太陽這個大火球的焚燒下，即使曾經有過水，也被逐漸蒸發掉了，比如離太陽最近的水星，它朝向太陽的一面，溫度達到400℃以上，錫、鉛等金屬都會熔化，水則變成了水蒸氣，水星的體積很小，只和月亮相當，沒有足夠的引力將水蒸氣聚集周圍，大部分水蒸氣都散發到宇宙中去了。而水星背向太陽的一面，長期不見陽光，溫度在－173℃以下，所以也不太可能有液態的水。

離太陽第二遠的是金星。金星的結構和大小比較接近地球，因此有人稱金星是地球的孿生姐妹，但實際上兩個星球只是「貌合神離」的姐妹，因為它們的環境相差很大。金星表面溫度很高（470℃左右），大氣壓力是地球的90倍，即使有少量液態水，也不會是一個適合人類生存的地方。

比地球離太陽更遠的行星中，木星和土星是氣態巨行星，更遠的天王星海王星是冰巨行星，顯然都不適合居住。這些行星的幾個衛星，如木衛三、木衛二、木衛四、土衛二、土衛六，以及幾個小行星（比如穀神星），倒有可能存在冰下海洋等可居住條件，但還有待進一步的考察和探索。

說實話，地球雖然不是像「地心說」所宣稱的宇宙中心，只是茫茫宇宙中的一顆「小塵埃」，但這個天體卻有它得天獨厚之處。地球是一顆距離太陽不遠不近，大小和質量都恰到好處的星球，就它離日的距離而言，可算是太陽系中唯一處於「可居住地帶」的行星。而地球的質量大小使得它剛好能保存合適的大氣層和大面積的海洋。

如果地球質量太小，所有氣態（或液態）物質都會飛離，只剩下坑坑窪窪的固態表面，類似月球。質量太大也不行，大氣層會太厚且充滿各種無用有害的氣體，現在的地球質量，恰好能吸引住大氣層中如氦氣、氧氣和二氧化碳這類較重的氣體，並與液態水海洋形成重要而必須的生化循環，促進生命繁衍，滋潤萬物生長。

基於上述種種因素，人類將「殖民星球」的目標首先指向與地球最相似的火星。

那麼，為什麼我們不首先考慮移民到月球上去呢？月球的優勢是離地球最近，能夠最快到達，但它畢竟是一顆依賴於地球的衛星。月亮與地球的命運息息相關，當地球發生災難的時候，月亮恐怕也難以生存。再則，月球的質量太小，靠它自身的引力不足以擁有大氣層和足夠的自給自足的水分及其它資源。要想在月亮上生活，幾乎所需要的一切都必須從地球上供給。因此，月球頂多只能作為一個「中轉站」或「基地」，而不是殖民的目標。

比較起來，還是火星的環境與地球比較接近。我們用數字來說明問題。

火星是地球的弟弟，它的直徑只約為地球的一半，見圖1a，自轉周期為24小時37分，只比地球的多一點點。因此，1個火星日只比1個地球日長41分19秒。當然，火星和地球的公轉周期是不一樣的，行星繞太陽的周期T與它離太陽的距離a有關係（T2正比於a3），因為轉動的離心力需要與引力相平衡。

火星離太陽大約是日地距離的1.5倍，可得1火星年（公轉周期）約等於1.88地球年。火星的自轉軸相對於公轉軌道平面的傾斜角度約為25.19度，也與地球的相當。自轉軸傾角決定了一年中4季的變化，使得火星有著類似地球的四季交替，但是，由於火星繞太陽公轉周期是地球的1.88倍，所以火星上4季的每一個季度，長度都大約為地球一季的1.88倍。地球人活了將近2歲，火星人活了1歲。

圖1：火星是太陽系中與地球最類似的星系

另外，火星的公轉軌道偏心率為0.093，比地球的0.017大很多。也就是說，火星軌道是一個更扁的橢圓，近日點和遠日點相差更大，這使得一年四季中各季節的長度不一致。自轉軸傾角和軌道離心率的長期變化比地球的大很多，由此而造成了氣候的長期變遷，火星表面的平均溫度比地球低30攝氏度以上（人類移民過去要準備挨凍了！）。再則，火星比地球小很多，質量只有地球的1/9，力氣太小抓不住如地球那麼多的大氣，但還總算有一個既稀薄又寒冷、以二氧化碳為主的大氣層。火星的質量小，重力只有地球上重力的30%，所以，在火星上跳來跳去要容易多了。

此外，火星有兩個形狀不規則的，比月球小很多的天然衛星：火衛一和火衛二。它們的最長直徑各為27公里和16公里，月球直徑是3483.36公里。

探索火星的秘密

火星給早期人類的第一印象是一顆通紅而又亮麗的星。中國古人以為它的表面一定是火熱火熱的，因而將它以「火」命名，西方人以為那上面正在發生火熱的戰爭，將其以戰神命名。但實際上。火星呈現紅色的原因不是因為溫度，而是因為火星表面有大量的氧化鐵沙塵，也就是通常我們看到的鐵鏽的顏色。火星的岩石中含有較多的鐵質，火星上乾燥的氣候使岩石風化，鐵鏽飛揚，發展成覆蓋全球的紅色砂塵暴，在地球人眼中呈現出紅色的面貌。

這顆火紅的星球對人類有一種特殊的吸引力。人類從17世紀初開始使用望遠鏡對火星進行觀測。隨著觀測技術的進步，人類對火星表面「看」得越來越清楚了，見圖2。

特別是每隔26個月，地球與火星之間的距離出現最小值，那時的太陽、地球、火星排列成一條直線，稱為火星「沖日」現象。這恰好為人類提供一個能夠很好觀察火星的時間窗口。

圖2：人類對火星表面認知的歷史變遷

航天時代來臨，人類航天的目標首先指向月球，那是因為月球更近——除了月球便輪到火星了！幾十年的航天史中，人類早就已經試圖向火星發射探測器。

火箭先驅馮·布勞恩在1948年的「火星計劃」一書中就設想用1000支三節火箭建立一個包含10艘太空船的船隊。船隊可以運載70個太空人到火星執行任務。前蘇聯和美國除了登月競賽之外，火星也是一大目標，但這條路上充滿坎坷，大約三分之二的火星探測器，特別是蘇聯早期（從1960年開始到70年代）發射的探測器，都沒有成功地完成使命而失敗了。不過，到目前為止，仍然已有超過30枚探測器到達過火星並發回了大量寶貴資料（注1）。

美國的水手4號於1964年12月28日發射升空，是有史以來第一枚成功到達火星並發回數據的探測器。美國宇航局2011年發射的好奇號火星探測車，2012年降落在火星上，現在已經辛苦地工作了近1600天。發回大量有用數據。

目前，美國航天局的專家們認為已經有確鑿的證據表明，足夠的液態水曾經（30多億年前）形成一片海洋，長期存在於火星的表面，幾乎覆蓋火星北半球一半的地表。據說好奇號發現了一片遠古河床，表明火星上曾經有過適宜生命生存的環境。可是後來，不知什麼原因，這顆行星逐漸乾涸，目前發現有一部分水留在了火星極冠和地表以下。航天探測器的雷達資料顯示，火星兩極和中緯度地表下存在大量的水冰，並觀察到類似地下水湧出的現象。最近有消息說，探測器首次在火星大氣中捕捉到了氧原子存在的證據。

遠古的火星存在海洋！這是個十分有趣的消息。看起來，在遙遠的古代，地球上還沒有高等生物之前，火星上卻存在大量的液態水。那時的火星可能不是紅色的，而是綠色的或藍色的，類似於地球現在的樣子！

我們不妨進一步來點文學的想像，實際上不少科幻作品早就已經想到了：那時候的火星上可能存在一個高度發達的「火星人文明社會」。發達到了什麼程度呢？恐怕已經超過了或相當於人類現在的水平，恐怕已經具有了「殖民地球」的能力，正在準備改造地球，考慮大規模移民的過程中！然後，突然有一天發生了大事，發生了當時的發達火星人也控制不了的火星大災難。於是，火星上的生物滅絕、洪水泛濫、天體震蕩、地貌改觀，火星成為一個無法居住的星球，所幸當初已經有少量火星人移居了，他們的命運如何呢？那就憑你的想像力任意馳騁了……

圖3：好奇號拍攝的火星

圖3是好奇號在火星上拍攝的照片。圖3a是好奇號的「自拍像」：一個結構頗為複雜又「好奇」的航天器，悠然漫步在火星的紅色荒漠中。圖3b則呈現了火星上見到的太陽景象，落日時的畫面雖然簡單，可這其中也蘊藏著不少的物理道理。

火星天空上的太陽要比地球上所見的更小，光線更暗淡，這兩點容易理解，因為火星離太陽比地球更遠，大約1.5倍。越遠的光源看起來越小越暗淡，這是常識。但是，我們在地球上看到的夕陽，會將天際染紅，怎麼在火星上的落日以及周圍天空，卻都變成了淡藍色的呢？其原因也是和鐵鏽為主的沙塵有關係。塵埃充斥於火星的大氣層中，紅光與黃光容易被這些塵土散射或吸收掉，而藍光則能更有效地穿過火星大氣層到達航天器的攝影鏡頭，因而使我們見識了一個與地球上看到的不一樣的「藍色太陽」。

總之，隨著人類技術的不斷進步，火星的秘密正在被逐步揭開。它現在的狀態與地球有相似之處，也有許多不同點，要想移民火星，還得先改造它（注2）。

火星地球化

人類要在火星建立永久定居點，首先必須按照地球的生存環境來改造火星，即使火星地球化。儘管目前的火星並不適合人類居住，但不少人相信，火星的環境可以通過在現時技術上已經可以實現的人為手段被逐漸改變，並且提出了各種改造方法。然而，實現火星地球化不是一朝一夕的事，而是一個長期的過程，需要幾百上千年的功夫。

比如說，火星上的目前的環境比地球極端得多，大部分動植物都無法生存，可能有部分微生物和地衣能夠生長繁殖。那麼，人類就得從種植繁衍這些簡單生物開始，向火星表皮土引進細菌和戰略性植物，一代又一代地逐步建立形成一個人造的生物循環圈，依靠生物鏈的進化來進一步達到改變環境、改變大氣層的厚度和成分的目的，使火星越來越適合高等生物的居住。需要以確保植物獲取必要的營養。

火星的大氣層非常稀薄，僅相當於地球大氣層的0.7%，只可以抵擋部分的太陽輻射和宇宙線。火星大氣層當中有95％的二氧化碳和極少量的氧氣。這樣比例的氧氣不夠呼吸，二氧化碳的分壓卻遠遠高於人類中毒的極限值。

因此，最開始移民的人類或宇航員，只能在人造建築物或改造了的火星洞穴中生活，必須如同當前的太空飛行器一樣，配有壓力設備，維持足夠的氣壓。以上種種設備和方法，都需要能源才能得以維持。

最開始，人類可以考慮地球上帶去燃料作為能源，長遠之計則需要考慮如何利用火星上的資源進行核反應產生能量，或者是製造太陽能電池以利用太陽能等等方法。化學能、核能、及太陽能，均可利用。關鍵是要考慮在火星的環境下，如何做到自給自足地利用這些能量，而不是長期依賴於地球的原料供給。

國際上有多個團體在推動火星殖民，提出了各種方案和計劃（注3）。加拿大和美國建立了一些火星模擬研究站，在地球上模擬火星環境進行研究。

參考資料：

【1】維基百科：火星探測

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB%E6%98%9F%E6%8E%A2%E6%B5%8B

【3】維基百科：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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