出品_科普我國
制作_haibaraemily
監制_我國科學院計算機網絡信息中心
火星_是太陽系中距離地球最近的行星之一。尤其是當人們撥開金星神秘的面紗_失望地發現金星是一顆極度高溫高壓、酸性大氣還有毒的"死星"之后_火星就變得更像一顆溫柔可親的希望之星了。
種種證據顯示_曾經的火星很可能和地球一樣_是個宜居的"天堂"。那是30多億年以前_那時候火星的內部還有活力_外部還有較厚的大氣層_磁場還能保護火星上的一切。曾經的火星表面_很可能有過充沛的液態水甚至汪洋大海。
曾經的火星假想圖。來源_NASA
只是如今_她們都消失了。
火星的內部漸漸冷卻_磁場慢慢消失_大氣層散逸_然后表面的液態水也不能幸免。
火星的表面_最終變成了如今我們看到的這樣_寒冷、干燥_一片死寂。
如今的火星。來源_NASA
但似乎_改造火星并不是沒有希望_讓火星再一次變得有大氣、有水似乎并不是沒有可能。
畢竟_近年的許多新發現都是那么地讓人欣喜_
·_2008年_NASA鳳凰號著陸器在火星北極附近的淺層地下挖到了水冰；
·_2018年初_NASA火星勘測軌道飛行器（簡稱MRO）在火星中緯地區發現了大量純凈的地下水冰（詳見_mp.weixin.qq/s/eKAV84awZh6YQIZPGYJ-xg）；
·_2018年7月_歐空局火星快車號探測器的雷達數據表明_火星南極冰下很可能有鹽水湖存在（詳見_mp.weixin.qq/s/Pl7jNjdroXJ92SuMtM1VNw）。
水有了_那大氣呢？
現在的火星只有非常稀薄的大氣層_平均表面氣壓只有6_mbar（也就是0.006_bar_或者600_Pa）_距離地球表面的1個標準大氣壓（可以近似認為1_bar）的水平還太遙遠。
那如果把火星現有的二氧化碳儲備_甚至含碳儲備全部轉化成二氧化碳氣體_是不是就可以讓火星再次有厚厚的大氣層了呢？火星的氣壓提高了_那火星移民們在室外工作的時候就可以不用穿著厚重的太空服了呀。而且二氧化碳這種溫室氣體可以給火星保溫_讓火星不再繼續冷卻下去_液態水也可以在火星表面穩定存在了。想想是挺美的…
遠到五十年前的卡爾·薩根[1]_近到SpaceX的創始人伊隆·馬斯克[2]_無數人都這么想過_也做過大量可行性研究[3]。
△1971年_卡爾·薩根曾嘗試計算如果火星的北極冰蓋融化揮發_釋放的二氧化碳能否改變火星的大氣和生態_讓液態水可以穩定存在_當然_那時候的人們對火星南北極冰蓋的儲量認識是非常不足的。來源_參考文獻[1]
然而_2018年8月《自然·科學》雜志發表的一篇觀點性的文章卻對此不太樂觀_以人類目前的技術水平_即使把目前火星上所有的含碳儲備全部轉化成二氧化碳氣體_可能也遠遠不足以讓火星達到宜居星球的標準[4]。觀點性文章嚴格說來并不屬于學術論文_這篇文章沿用了前人的研究方法_加入了近20年來多個火星探測器積累的觀測數據_重新梳理了火星上所有可能的二氧化碳來源。
火星上有哪些潛在的二氧化碳儲備呢？
1）南北兩極
火星和地球的自轉軸傾角相似_因此火星也有著和地球相似的季節變化_有終年冰封的南北極冰蓋_這些冰蓋里就有不少干冰（固態二氧化碳）儲備。
但是很遺憾_把表面這點冰蓋里的干冰全部轉化成二氧化碳氣體也只能把火星大氣壓提高2_mbar。
不過_雷達數據顯示_埋藏在火星極區地下還有一些干冰_這個更多一點_相當于12_mbar。
此外_根據火星目前極區的溫度和壓強推測_水分子中可能絡合二氧化碳分子_全釋放出來的話最多相當于150_mbar_這倒是量挺大的…不過問題是…這只是理論上的估計_實際上根本沒在火星極區發現過水分子中絡合的二氧化碳_就更談不上用了。
火星南北極冰蓋_其中既有水冰_也有干冰（固態二氧化碳）。來源_NASA
2）火星表層土壤（風化層）
火星的風化層顆粒可以吸附一定的二氧化碳_例如_平均每克玄武巖可以吸附0.002克二氧化碳_每克綠脫石（一種可能出現在火星上的代表性粘土礦物）可以吸附0.005克二氧化碳_每克橙玄玻璃（一種在富含水和二氧化碳的環境下玄武巖高度風化的產物）可以吸附0.015克二氧化碳。
火星上三種可能的代表性礦物吸收二氧化碳能力。改編自_參考文獻[5]
雖然火星全球的風化層厚度變化很大_不同的礦物種類吸附二氧化碳的能力也不同_但反正_如果把這些二氧化碳都弄出來（甭管怎么弄出來的）_滿打滿算估計相當于40_mbar吧。
3）碳酸鹽沉積物
火星的碳酸鹽沉積物_很可能就是火星早期大氣中的二氧化碳進入巖石中反應形成的_也就是說_她們是曾經火星的二氧化碳以另一種形式貯存起來的倉庫。
但火星上目前發現的暴露出來的碳酸鹽礦物區域并不多_合理估計可能只相當于0.25_mbar_滿打滿算也很難超過50_mbar（依然甭管怎么弄出來）。或許火星地下深處可能還有更多的碳酸鹽沉積物尚未被發現_但一方面目前的技術探測不到_另一方面以目前的技術也難以挖掘和使用。
△火星勘測軌道飛行器（MRO）數據繪制的北半球低緯區域的尼利槽溝（Nili_Fossae）平原成分圖_這是火星目前暴露出地表的最大的一片富含碳酸鹽礦物的區域。綠色代表富含碳酸鹽的成分_棕色代表富含橄欖巖的砂粒_紫色代表玄武巖。來源_NASA/_JPL/Caltech/JHUAPL/Univ.of_Arizona
以上這些統統加起來_也就只有地球大氣壓的10_。
問題是_以目前的技術_這些二氧化碳儲備其實不可能達到百分百的利用率_只有其中一部分可以最終變為二氧化碳氣體釋放到火星大氣中。更重要的是_由于沒有磁場的保護_火星的大氣還在太陽風的轟擊之下不斷向外散逸_一去不回。
把這些因素也算進去之后_火星的大氣壓應當只能增長到20_mbar_也就是地球大氣壓的2_水平_由此產生的溫室效應升溫最多只有10度_也遠遠不足以讓液態水穩定存在。
也就是說_以人類現有的科技水平_人類如果要移民火星_是不可能自由自在地在戶外活動了。
不過呢_也不用太沮喪_火星移民并不是因此不可能了_我們還是能夠通過建立封閉的火星基地_或者直接住到地下去_讓人類和生物在封閉的環境里建立生態圈_長久地生活下去的。
再說了_封閉的環境更安全_不容易被隕石砸呢。想開點吧…
_參考文獻
[1]_Sagan,_C._(1971)._The_long_winter_model_of_Martian_biology:_A_speculation._Icarus,_15(3),_511-514.
[2]_Musk,_E._(2017)._Making_humans_amulti-planetary_species._New_Space,_5(2),_46-61.
[3]_McKay,_C._P.,_Toon,_O._B.,_&_Kasting,_J._F.(1991)._Making_Mars_habitable._Nature,_352(6335),_489.
[4]_Jakosky,B._M.,_&_Edwards,_C._S._(2018)._Inventory_of_CO2_available_forterraforming_Mars._Nature_Astronomy,_2(8),_634.
[5]_Zent,_A._P.,_Fanale,_F._P._&_Postawko,_S._E._Carbon_dioxide:_Adsorption_on_palagonite_and_partitioning_in_the_Martian_regolith._Icarus_71,_241–249_(1987).
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