如何把金星改造成第二個地球？

[ 摘要 ] 金星和地球在質量、大小上相似，堪稱 " 雙胞胎 "。但是這對雙胞胎一個孕育出了生命，一個表面卻極端高溫。那麼，我們可以改造金星，把它變成另一顆 " 地球 " 嗎？

金星被看作是地球化改造的首選對象。圖片來源：NASA/JPL/io9.com

金星通常被稱為地球的 " 姐妹星球 "，事實上也確實如此。除了體積非常相近以外，金星和地球的質量也差不多，並且元素構成也相差無幾（二者都是類地行星）。金星是地球的鄰居，它也位於太陽的宜居帶內。當然，金星跟地球的差別才是它不適合居住的關鍵。

首先，金星的大氣密度足有地球的 90 倍，表面平均溫度高到足以使鉛融化，而金星上的空氣是由二氧化碳和硫酸構成的有毒煙霧。因此，人類如果想在金星上生存，就必須先大刀闊斧對它進行生態改造——外星地球化。因為它和地球的相似點很多，不少科學家都把它看作改造的首選對象，它的支持率甚至超過了火星哦！

在過去的一個世紀中，金星改造的概念其實出現了很多次，既是科幻小說的題材，也是學術研究對象。誠然，在 20 世紀早期，金星改造被視為純粹的幻想，然而當>時代到來後，情況就發生了變化。我們對金星的認識不斷深入的同時，也意識到確實有把其他星球改造得更適宜人類居住的需要。

金星和地球大小、質量等都極為接近，但面貌卻迥然不同。

科幻小說中的例子

自從 20 世紀早期，科幻小說就開始挖掘金星的生態改造這個主題。公認最早的一部作品是奧托夫 · 斯塔普爾頓（Olaf Stapleton）在 1930 出版的《最後一個和第一個人》（Last And First Men），書中用了兩章來描述人類後代是如何在地球變得不適宜居住後對金星進行改造的；而在此過程中，金星本土的水生>慘遭滅頂之災。

到了 20 世紀五六十年代，正值於太空時代來臨之際，外星改造開始越來越多地出現在科幻小說里了。保羅 · 安德森（Poul Anderson）在 20 世紀 50 年代也寫過很多關於外星改造的故事。在他 1954 年出版的《大雨》（The Big Rain）中，人類用了多種行星工程技術，花費很長一段時間改造了金星。這本書的影響力非常大，以至於 " 大雨 " 這個詞從此成為了金星改造的代名詞。

1991 年，作家 G· 戴維 · 諾德利（David Nordley）在他的短篇小說《金星之雪》（The Snows of Venus）里作出了大膽的設想：用質量加速器（原理和電磁炮一樣的加速裝置）把金星的大氣層驅散，以加快它的自轉速度，使金星上一天的長度達到 30 個地球日。作家金 · 斯坦利 · 羅賓遜（Kim Stanley Robinson）因為他的火星三部曲：《紅火星》（Red Mars）、《綠火星》（Green Mars ）和《藍火星》（Blue Mars）中對外星改造的現實主義描繪而家喻戶曉。

2012 年，他發表了這一系列的最新作品《2312》，這本書描繪了整個太陽系的全面大殖民，也包括金星。小說中也探討了好幾種改造金星的方法，從全球降溫到碳封存，這些方案都是基於學術研究和科學家提出過各種的設想。

藝術家想像中的改造後的金星，表面絕大部分被海洋覆蓋。圖片來源：Wikipedia Commons/Ittiz

改造方案

第一個改造金星的方案是 1961 年由卡爾 · 薩根（Carl Sagan）提出。在一篇題為《金星》（The Planet Venus）的論文中，他提出了使用經過基因改造的細菌把金星大氣中的二氧化碳轉化為有機分子的方法。但隨後人們就發現了金星雲層中存在硫酸，這個事實再加上太陽風效應，使得這個方案也不具備可行性了。

英國科學家保羅 · 伯特（Paul Birch）在他 1991 年的研究《快速改造金星》（Terraforming Venus Quickly）中提出可以用氫氣引爆金星大氣層。爆炸引發的化學反應會生成石墨和水，而後者會降落到星球表面形成覆蓋約 80% 行星表面的海洋。但是所需的氫氣實在太多了，多到我們必須直接從某個氣態巨行星或它們衛星上的冰層里採集才夠。

這個方案還要把鐵的氣溶膠顆粒灑入大氣層里，它可以從很多來源（例如月亮，小行星，水星）獲取。剩下的大氣估計還有 3bar 的氣壓（是地球的三倍），主要成分是氮氣，而其中的一部分會溶解到新生海洋中，這又會進一步降低大氣壓強。

另一個設想是用精鍊鎂和鈣轟擊金星，這可以把碳元素以碳酸鈣和碳酸鎂的形式封存起來。科羅拉多大學博爾得分校的馬克 · 布洛克（Mark Bullock ）和大衛 ·H· 格林斯普恩（David H. Grinspoon）在 1996 年發表了題為《金星氣候的穩定性》（The stability of climate on Venus）的論文，他們指出金星本身存在的氧化鎂和氧化鈣沉積物是可以加以利用的。通過對沉積層的開採，這些礦物會暴露在行星表面，吸收二氧化碳，起到碳匯的作用。

然而，布洛克和格林斯普恩也指出，利用本土礦物的冷卻效果是很有限的——只能降到約 400K（126.85 ℃），而且也只能把大氣壓降到了約 43 bar。因此，為了得到讓金星降溫所需要的 8×10^20 kg 鈣或 5×10^20 kg 鎂，必須從其他地方補充一部分，最有可能的方法就是從小行星上開採鎂和鈣了。

人們還曾討論過遮陽罩（solar shades）的概念，就是用一群小型太空飛船擋住照射到行星表面的陽光，或者直接用一面巨型反射鏡把陽光反射回太空，以此達到全面降低地表溫度的效果。由於金星吸收的光照量是地球的兩倍，科學家們認為過量的太陽輻射是誘發失控的溫室效應，導致金星變成現在這個樣子的一個主要因素。

金星的遮陽罩可以架設在太空中，位置處於太陽與金星間的拉格朗日點 L1，起到遮擋部分陽光的作用。而且防護罩還能起到屏蔽太陽風的效果，這會有效減少金星表面承受的輻射劑量（輻射量對於是否適宜居住也是一個關鍵因素）。

另一個替代方案是太陽反射鏡，它可以架設在大氣層里也可以放在金星地表。反射鏡可以由大型反光氣球陣列組成，也可以由碳納米管或石墨烯片層構成。前一種方案具備兩個優勢：第一，大氣層反射鏡可以利用金星本地豐富的碳資源在這個行星上製造。第二點，金星的大氣層密度足夠大，使反射鏡這樣的大型結構很容易懸浮在雲層上方。

NASA 的科學家傑弗里 · A· 蘭迪斯（Geoffrey A. Landis）還提出過在金星的雲層上建造房屋的設想，這些房屋反過來也充當可以遮陽罩和處理站的角色。它們還可以為殖民者提供最早期的住所，也能起到轉化器的作用，它們會逐漸把金星大氣變得適宜人類居住，這樣殖民者就能移居到地面了。

人們甚至想到了改變金星自轉速度的辦法。金星每 243 天才自轉一周，是太陽系行星里自轉周期最長的。這導致金星上的白天和黑夜極其漫長，絕大部分已知的地球動植物都是無法適應這種極端條件的。不僅如此，自轉太慢很可能也致使金星磁場強度過低。

為了解決這個問題，英國星際協會成員保羅 · 伯特（Paul Birch）提議在金星和太陽間的拉格朗日點 L1 架設一組軌道太陽鏡系統。再結合極軌道上的太陽反射鏡，可以在金星表面形成 24 小時的光照循環。

或者我們也可以從加快金星自轉速度的方面入手，比如用天體去碰撞金星表面或用直徑大於 96.5 千米的天體近距離飛掠。也有人提議用質量加速器或動態壓縮裝置（研究設想的利用磁場加速質量流的一種裝置）產生加快金星自轉所需的力，最終使其晝夜變換周期變得與地球相同。

還有一種可能的解決途徑是移除金星的部分大氣，這有很多方法都可以實現。例如，讓天體撞擊金星表面可以把一部分大氣層吹散進外太空。其他的方法包括太空電梯和質量加速器（放置在雲層上方的氣球或平台上較為理想），可以逐漸收集大氣層中的氣體然後把它們趕入太空里去。

藝術家想像中的金星雲上城市——部分來自 NASA 的高海拔金星操作概念計劃。圖片來源：先進概念實驗室／NASA 蘭利研究中心

好處多多

殖民金星並把它的氣候轉化成適宜人類居住的主要原因之一，就是為人類創造一個 " 備用基地 "。考慮到可選擇的範圍——火星，月亮還有外太陽系，金星有好幾個其他地方不具備的優勢。這也就是為什麼金星經常被稱作地球的 " 姐妹星 "。

首先，金星是一個在尺寸、質量和組成上都與地球相近的類地行星。因此金星的重力與地球接近，大約是地球的 90%（確切的說是 0.904 g）。因此，人類在金星上就不太可能會因長期生活在失重和微重力環境下引發健康問題——比如骨質疏鬆和肌肉衰退。

由於距地球相對較近，比起太陽系的其他地方，我們與金星之間運輸和通信也更容易。用現有的推進系統，地球到金星的發射窗口會每隔 584 天出現一次，與之相比，火星的窗口周期有 780 天之長。因為金星也是距地球最近的行星，登陸金星所需的飛行時間也更短。它距地最近只有 4000 萬千米，而火星則有 5500 萬千米。

另一個原因與金星的失控溫室效應有關。失控的溫室效應導致這個星球溫度極高並擁有濃厚的大氣層。在金星上檢驗諸多生態工程技術的過程中，我們的科學家可以更好地認識這些技術的效果。這些信息反過為我們對抗地球氣候變化的鬥爭提供有利幫助。

在未來的十年里，這個鬥爭很可能會變得更為激烈。根據美國海洋和大氣局（NOAA）在 2015 年 3 月的報告，大氣中的二氧化碳水平目前已超過 400ppm，這是自從上新世以來就沒有出現過的數值，而那時的溫度和海平面都比現在高很多。根據 NASA 用計算機模擬出的一系列可能出現的圖景，這個趨勢很可能要持續到 2100 年，將會帶來嚴峻的後果。

在其中一個圖景中，二氧化碳排放量在本世紀末將趨於平穩，水平大約保持在 550 ppm，導致全球溫度升高 2.5 ℃。在第二個圖景中，二氧化碳排放量會升高到 800 ppm，導致平均溫度升高 4.5 ℃。第一個圖景預測的溫度升高還是可以忍受的，但在第二個圖景里，地球上很多地方人的生活都無法維持下去了。

所以除了為人類創造第二個棲息地之外，金星改造也會幫助確保地球仍是我們舒適的家園。當然，金星作為類地行星的事實意味著它有著豐富的自然資源供我們開採，這也會幫助人類實現 " 後匱乏（post-scarcity）" 經濟。

艱巨的挑戰

儘管金星和地球相似度較高（即在體積，質量和成分上的相似），但也有很多會給改造和移民帶來嚴峻挑戰的差異存在。比方說，給金星大氣降溫降壓需要大量的能量和資源。還需要花費高昂的代價去建造原本沒有的基礎設施。

例如，要把金星大氣層溫度降低到足以遏制失控溫室效應的程度，我們需要非常非常多的金屬和先進材料去建造一面足夠大的軌道遮陽罩。這樣的結構如果放置在拉格朗日點 L1，直徑需要是金星本身的四倍。而且還需要一支龐大的裝配機器人隊伍在外太空完成遮陽罩的組裝。

而與之相比，增加金星的自轉速度需要巨大的能量，更別提那麼多需要從外太陽系－主要是柯伊伯帶弄過來的撞擊天體了。在所有這些設想中，一支足夠龐大的太空艦隊都是必須的，我們要依靠它們來運送必須的原材料，而且它們還需要先進的動力系統才能保證在可接受的時間內完成任務。

而現今還沒有滿足這項要求的動力系統，傳統的推進方式——從離子發動機和化學推進劑都既無法提供足夠快的速度也不夠經濟便宜。看了這個實例你就明白了， NASA 的 " 新視野 " 號花了 11 年多的時間與柯伊伯帶的冥王星相會，用的就是引力輔助的傳統火箭推進器。

與此同時，在依靠離子推進完成的 " 黎明 " 號（Dawn ）任務中，從地球到小行星帶灶神星的旅程耗時將近 4 年。而要實現多次往返柯伊伯帶拉回冰凍彗星和小行星的任務，不論用哪種推進方法都無法做到，況且製造出所需的大規模艦隊對現在我們來說還是一個遙不可及的夢想。

在雲層上方架設反射鏡的計劃同樣也面臨著資源缺乏（或太難獲取）的問題。不但需要大量的材料，我們還要確保在大氣層轉化後的很長時間內這些材料仍能維持在原有位置，因為金星表面目前是完全被雲層覆蓋的。考慮到金星的雲層已經有很高的反射率了，所以我們採取的任何措施都必須使反射率得到大幅提升（顯著超出現有的 0.65），這樣才會有效果。

那如果想要驅散金星的大氣層呢，你會發現難度有過之無不及。1994 年，詹姆斯 ·B· 波拉克（James B. Pollack ）和卡爾 · 薩根通過計算證明，用直徑 700 千米的天體以高速撞擊金星也只能清除不到千分之一的大氣。更麻煩的是，隨著金星密度的降低，每次碰撞清除的大氣質量會遞減，這意味著我們需要成千上萬的巨型撞擊物。

另外，絕大部分被驅散的大氣層氣體會進入金星附近的太陽軌道，而且如果沒有進一步干涉的話，它們在金星引力的牽引下再一次回到大氣層的懷抱中。用太空電梯移除大氣，也非常困難的，因為金星的同步軌道距離行星表面實在太遠了，用質量加速器把氣體運送到這樣的高度極其耗時而且代價高昂。

綜上所述，改造金星的潛在收益是非常明確的。人類將得到第二個家園，我們將能夠利用它的資源，而且我們還能學到應對地球災難性變化的寶貴技術。然而，要想真正獲取這些利益我們不得不面臨一系列困難和挑戰。

進行任何地球化改造任務之前，都要對很多障礙做足事先準備功課。這些困難中最突出的就是運輸和後勤，包括調動大量工作機器人，以及為採集必須材料的飛船提供合適動力。除此之外，人類需要達成跨越多個世代的共識，確保不間斷的財政資源支持以最終完成這項使命。即使在最理想的條件下，這也不是一件容易的事情。

一言以蔽之，這是人類絕對無法在短期完成的工作。但展望一下未來，把金星從各個方面都變成我們的 " 姐妹星球 " ——包括海洋，可耕種的土地，野生生命和城市等，這應該是一個美妙而且可行的目標。唯一的問題是，我們還需要等待多久呢？

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