马斯克的执念:火星地球化真的能实现吗?

2018/10/12 18:13
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“按照我们的温室气体排放对地球变暖速度的影响来判断,我们可以在100年内将火星转变为温暖的气候状态。”

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卷入一场关于火星是否可以地球化的Twitter论战,对埃隆·马斯克 (Elon Musk) 来说是迟早的事。今年7月在接受彭博商业周刊的专访时,马斯克说,在Twitter上就如同“身处舆论战场”,“如果你攻击我,那我也可以反击,就是这么回事”。

图源:Bloomberg Businessweek

作为SpaceX的首席执行官兼首席设计师,马斯克希望以火星为起点,“让生命进入多行星 (multiplanetary) 阶段”。这颗红色的行星离地球比较近,地表曾经有过海洋和河流,而且至今仍有冰和地下湖的存在。火星天气的可塑性也令人惊讶。火星的表面温度范围(-176到31摄氏度)离地球并不太远(-88到59摄氏度)。问题是火星的大气现在仅有0.006巴的气压,而1巴是地球海平面上的标准大气压单位。这不仅意味着危险水平的辐射能够不受阻碍地达到火星表面,更重要的是人类至少需要0.063巴的气压以保证我们体内的液体不被煮沸(这被称为阿姆斯特朗极限, Armstrong Limit)。

这就要介绍地球化 (terraforming) 的概念了——改变一座行星的气候,地形或生态,以使其更适宜生存。 如果我们能够将火星的大气压力提升到略高于珠穆朗玛峰顶峰(0.337巴)的水平,我们仅使用呼吸面罩就可以在火星表面上行走——不再需要穿加压太空服。这可以被称为“弱地球化”:这种情况下植物依然无法在温室外的土壤中生长。

艺术家通过模拟图像描绘的早期火星环境,与今日火星之地表 图源:NASA's Goddard Space Flight Center

要达到这一要求,还需要大量的氮,而且得远超科学家们目前在火星表层大气中勘明的水平;即便如此,我们也仍无法直接呼吸火星的空气。不过在马斯克看来,至少弱地球化是有可能实现的:2016年他在墨西哥举行的国际宇航大会 (International Astronautical Congress) 上对观众们说,“实际上,如果我们能够令火星变暖,我们将(让火星)再次拥有浓厚的大气层,以及液态的海洋。”

但真的是这样吗?

不——起码短时间内实现不了;至少美国国家航天局 (NASA) 火星大气和挥发物演化任务 (MAVEN) 航天器的主研究员、科罗拉多大学博尔德分校的空间科学家 Bruce Jakosky 最近评估这一构想时,得出了这样的结论。他告诉我,地球化构想在公众舆论当中的日益普及(部分出于马斯克的勉力推广),让他和博尔德分校的地质学家 Christopher Edwards 觉得应该仔细评估该构想是否可行。他们得到的答案是:不,“使用当今的技术是不可能实现的。”在7月发表于《自然天文学》上的论文中,他们直接提到了马斯克,并驳斥了他用核武器轰击火星极地冰盖达到地球化的构想。他们认为,从冰盖中释放的CO2量不足以引发不可逆的温室效应。7月30日,《发现》杂志在推特上链接了这篇论文,并喊话马斯克:“对不起,埃隆。没有足够的CO2令火星地球化。”

随后马斯克发起了反击。 “在火星上有大量的CO2被吸附到土壤中,一旦加热就会释放出来,”他在《发现》杂志推文后跟帖道, “通过人工或自然(太阳)核聚变获得足够多的能量,可以使几乎任何大型的岩石天体地球化。”

第二天,马斯克在推特上又两次回复《发现》杂志反驳马斯克跟帖内容的檄文。他发出的第一条推文说:“哦,是吗?我读过你们引用的专家说法了,但我觉得你们该读读Chris McKay @NASA的文章。”三分钟后他发出了第二条推文:“科学”后面跟着爱心、显微镜和流星的emoji,以及1993年McKay联名撰写的一篇论文的链接,标题为“火星地球化的技术要求” ("Technological Requirement for Terraforming Mars)。


为什么马斯克唯独取信于NASA艾姆斯研究中心的行星科学家McKay,而不是其他专家呢?我询问了McKay本人,想知道他是否看过Jakosky和Edwards7月发表的《自然天文学》论文。该论文指出,MAVEN在过去4年乃至火星快车 (Mars Express) 航天器在过去15年中都曾实时观测到火星大气层逃逸的过程,而火星勘测轨道器 (Mars Reconnaissance Orbiter) 和火星奥德赛 (Mars Odyssey) 航天器则分析过“火星冰盖中含碳矿物的富足和CO2的存在”。这些新的数据点表明,首先,大部分在火星古代曾经存在的浓厚大气层,已经逃逸到了太空当中,而不是转移到目前尚未勘明的地表下浅层中的CO2储层;第二,就算有再多CO2留存在地下,“都是难以获取的,无法通过现有的方式令其活化”进入大气。

“我看过这篇论文,”McKay如是说道,“他们确实正确指出了地球化的最关键问题,是火星上CO2、N2和H2O的含量。遗憾的是,除此之外论文并没有提供什么新东西。”在McKay看来,Jakosky和Edwards研究的新数据还不够好。

McKay提请我注意1991年他在《自然》上与两位同事Owen Toon和James Kasting撰写的论文,题为“让火星适宜居住” ("Making Mars habitable")。他告诉我,当时论文得出的结论——关于二氧化碳,水和氮在火星上的含量和分布为何仍不明朗——今天依然适用。“对于地表下CO2量究竟有多大,我们仍然非常不确定。我们没有很好的数据,需要钻入很深的地下才能得到它。”他说,Jakosky和Edwards得出的地球化近期内不可能实现的结论还”为时过早“。

他并非唯一一个这么想的人。McKay1993年地球化论文的联合作者Robert Zubrin也同意他的观点。Zubrin是位航空航天工程师、作家,同时也是一家倡导火星地球化的非营利组织火星协会 (Mars Society) 的创始主席。Zubrin8月在接受NBC新闻采访时表示,在火星上建立文明将“加强人类文化的力量和活力”。他还认为火星应当被NASA当作太空计划的目标。

当被问及对Jakosky的看法时,Zubrin称他“不仅假装掌握他所没有的知识,还与已知的数据存在根本矛盾。”例如,在Jakosky《自然天文学》论文中强调的最近结果指出,至少有75%的古代火星大气CO2——也就是0.5巴——早在数十亿年前就已逃逸,可能是由太阳风和极端紫外线活动等因素造成的。如果至少75%的火星大气CO2已经消散在了太空中,就意味着火星地表浅层中——根据Jakosky的说法——几乎不可能留存早期的浓厚大气供人类活化。Jakosky和Edwards写道,“显然,一旦大气已经消散在了太空中,也就不存在将大气层重新活化的说法了。”按照其结论,只剩下少量可供人类利用的二氧化碳留在地下:0.020巴。

Jakosky是如此计算出75%的大气逃逸的:假设今天观测到的太阳风和紫外线活动在过去也曾发生,但强度更大(基于从类日恒星中衍生出的太阳历史,他认为这一假设成立)。然后,将火星大气中碳13对碳12的比例,与表层土壤中碳13对碳12的比例进行比较。由于较重的同位素往往能在大气中停留更久,而较轻的同位素会被吹走,大气CO2中较重同位素的富含程度,与土壤中的含碳量会有所不同。Jakosky和Edwards写道,这种比例上的差异表明,至少有四分之三的火星大气CO2已经消失,而“逃逸至太空中是古代CO2温室气体流失的主要途径。”这与Zubrin和McKay提出的理论背道而驰,他们认为,大气CO2的流失存在另一种途径,但这一途径会将CO2留在火星上——要么吸附到土壤中,要么像CO2干冰那样冻结,要么被锁在含碳矿物之中。

搜索数据:“好奇”号火星探测器 图源:NASA

这里也正是Zubrin和McKay眼中,Jakosky的研究与已知数据相矛盾的地方。McKay和Zubrin告诉我,0.5巴的大气CO2流失虽然不能当作结论性估值,但起码大差不差。(McKay:“对于他们的计算方法衡量的到底是CO2流失还是仅是O2流失,存在一些争议。”Zubrin:“虽然这种说法存在争议,但我们姑且放他一马,因为起码在这里Jakosky还是由数据出发进行讨论的。”)他们所不能同意的,是Jakosky的碳同位素分析。 Zubrin说,0.5巴的大气CO2流失不可能代表火星原始大气总量的75%或更多,因为“根据古代火星上液态水的已有数据,火星必须至少有2巴的CO2”曾经笼罩整个行星(当时的土壤含碳量未知)。如果是这样的话,与Jakosky的研究结论相反,在火星上的某个地下浅层矿床中很可能仍有超过1巴的CO2储量——而这足以触发不可逆的温室效应。

此外,Zubrin指出,科学家们并不知道火星上的原始碳12对碳13比例,而Jakosky在其论文中也或多或少地承认了这一点(他是从火星陨石中推断出古代火星上的比例的)。在Zubrin看来,最重要的是Jakosky“并不知道地表下土壤中的C12/C13比例;这一数字可能与大气比例存在很大差异,因为如果数十亿年前大部分二氧化碳被固化在了风化层中”——覆盖基岩的未固结岩石材料层——“而大部分大气又消散到了太空中,那么(表层土壤和地表下土壤)这两个储层中会留下截然不同的内容。”McKay也附和了这一点:“(Jakosky研究中采用的)同位素数据仅包含了与大气接触的碳储层;而与大气隔绝的碳酸盐岩和CO2干冰矿床并不能通过地表碳同位素比例来进行衡量。”

例如,火星南极冰盖就是蕴藏与大气隔绝的矿床的一个地区。McKay表示“这些地区尚未得到很好的了解,甚至连其规模都不能被完全确定。”他特别提到2016年的一项研究,其中科学家使用火星勘测轨道器上的浅层雷达 (Shallow Radar) 尽可能远程测绘了该区域,并发现地表下储藏的CO2干冰如果蒸发,将足以令火星的大气压翻倍,达到0.012巴。

当然,这远远不足以让人类在不穿着加压太空服的情况下在火星表面行走。必须找到更多能够释放到大气中的CO2矿床。McKay说,位于南极的矿床“相对年轻”。“但可能存在更老,更深的矿床。”对他来说,MAVEN和火星快车航天器传回来的数据结果是“一个加分项”,因为“几乎所有的气候模型都表明,古代火星必须在其历史初期就存在数巴的CO2,所以在地下浅层矿床内一定还有留存成巴的CO2,在那里埋藏了数十亿年。


我把这些反馈发给了Jakosky。他在回复中表示,他认为火星表面上或表面附近已几乎没有(约相当于0.020巴的)CO2可供蒸发。这个估算是基于他的大气CO2流失分析,以及在火星表面上人类曾探测到最深为10厘米的土壤层中,并无迹象表明有大量CO2存在。在其他几处地方——撞击陨石坑和巨大的裂谷,如火星大峡谷Valles Marineris——也没有暴露出富含CO2的迹象;这几种地表特征展示了不同深度的地壳层构成情况。

因此,任何还埋藏着的CO2必然会在更深,更难以到达的地方。“你必须对你看不到的东西做出假设,”Jakosky告诉我。也许是有很多埋藏的,“深度碳酸盐化”的二氧化碳仍留在火星上,但这些都是无法被企及的。他和Edwards写道, “虽然碳酸盐矿床的数量没有正式的上限——人们总是可以争辩说,它们优先被隔离在了我们还未或无法观察到的地方——但这些矿床在地质上根本无据可查,难以或根本无法作为地球化的材料。

McKay从相同信息中得出的结论则不那么悲观,但也不那么具有结论性。“遗憾的是,过去20年来,我们对火星地表下的研究中并未学到太多东西。请给我更多数据,”他如是说到,“这个行星的大小与地球上的大陆相差无几,却在不同的地方有者截然不同的构造。”Zubrin给我打了个比方,想象一下1890年火星上的某人需要在从未实地钻探过的前提下,去估测地球上的石油储量。“这就是Jakosky现在身处的状态,这太荒谬了,简直荒诞。”

如果Jakosky错了,而且火星地下确实有数巴我们能够获取的CO2储藏,那么我们就有可能迅速令火星地球化。“按照我们的温室气体排放对地球变暖速度的影响来判断,我们可以在100年内将火星转变为温暖的气候状态,”McKay在他2016年为Nautilus撰写的特稿中曾解释道,“最有效的技术是生产超级温室气体,如氯氟烃,或者用全氟化合物更好,它们无毒,不会干扰臭氧层的形成,还能抵挡太阳紫外线辐射的破坏。‘好奇’号最近证实了火星岩石中含有氟,所以原料就在那里。“

在2001年的一篇论文中,McKay和航空工程师Margarita Marinova(现任SpaceX高级火星和车辆系统开发工程师)写道:“要产生足够的[全氟化碳]将火星的温度升高约9华氏度(约合13摄氏度),需要约4x1020焦耳的能量,相当于大约75分钟的火星阳光照射。这也相当于250个消耗500兆瓦电力(小型核反应堆规模)的生产设施工作100年。”运营这些设施将需要很多人,除此之外还得有更多的人发展其他产业满足火星殖民地的其他需求,比如农业。Zubrin认为,需要动员50-100万人才能实质性地将地球化提上日程。

无论我们是否能够令火星地球化,起码我们应该很快就可以造访它了。马斯克计划用SpaceX上个月刚公布的最新版本超大型猎鹰火箭 (Big Falcon Rockets),把我们送上火星;其中几枚火箭在着陆后将组成“火星基地阿尔法” ("Mars Base Alpha")。它的艺术想象图一度被置顶在马斯克的个人Twitter页面上。在澳大利亚,他向观众展示了这张图片,以及描绘基地成长为小镇和城市的图片。他说,最终火星的新居民将令火星地球化,而届时火星将是“一个不错的好地方”。


译者:张一苇

来源:Gallagher, Brian, So Can We Terraform Mars or Not?, Nautilus Magazine, Oct. 11th 2018

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