出品：科普中國(guó)
制作：haibaraemily
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
火星，是太陽(yáng)系中距離地球最近的行星之一。尤其是當(dāng)人們撥開金星神秘的面紗，失望地發(fā)現(xiàn)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(jù)顯示，曾經(jīng)的火星很可能和地球一樣，是個(gè)宜居的"天堂"。那是30多億年以前，那時(shí)候火星的內(nèi)部還有活力，外部還有較厚的大氣層，磁場(chǎng)還能保護(hù)火星上的一切。曾經(jīng)的火星表面，很可能有過(guò)充沛的液態(tài)水甚至汪洋大海。
曾經(jīng)的火星假想圖。來(lái)源：NASA
只是如今，它們都消失了。
火星的內(nèi)部漸漸冷卻，磁場(chǎng)慢慢消失，大氣層散逸，然后表面的液態(tài)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(lái)源：NASA
但似乎，改造火星并不是沒(méi)有希望，讓火星再一次變得有大氣、有水似乎并不是沒(méi)有可能。
畢竟，近年的許多新發(fā)現(xiàn)都是那么地讓人欣喜：
· 2008年，NASA鳳凰號(hào)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(cè)軌道飛行器（簡(jiǎn)稱MRO）在火星中緯地區(qū)發(fā)現(xiàn)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(hào)探測(cè)器的雷達(dá)數(shù)據(jù)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(xiàn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（可以近似認(rèn)為1 bar）的水平還太遙遠(yuǎn)。
那如果把火星現(xiàn)有的二氧化碳儲(chǔ)備，甚至含碳儲(chǔ)備全部轉(zhuǎn)化成二氧化碳?xì)怏w，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?cè)谑彝夤ぷ鞯臅r(shí)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(xù)冷卻下去，液態(tài)水也可以在火星表面穩(wěn)定存在了。想想是挺美的…
遠(yuǎn)到五十年前的卡爾·薩根[1]，近到SpaceX的創(chuàng)始人伊隆·馬斯克[2]，無(wú)數(shù)人都這么想過(guò)，也做過(guò)大量可行性研究[3]。
△1971年，卡爾·薩根曾嘗試計(jì)算如果火星的北極冰蓋融化揮發(fā)，釋放的二氧化碳能否改變火星的大氣和生態(tài)，讓液態(tài)水可以穩(wěn)定存在，當(dāng)然，那時(shí)候的人們對(duì)火星南北極冰蓋的儲(chǔ)量認(rèn)識(shí)是非常不足的。來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]
然而，2018年8月《自然·科學(xué)》雜志發(fā)表的一篇觀點(diǎn)性的文章卻對(duì)此不太樂(lè)觀：以人類目前的技術(shù)水平，即使把目前火星上所有的含碳儲(chǔ)備全部轉(zhuǎn)化成二氧化碳?xì)怏w，可能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以讓火星達(dá)到宜居星球的標(biāo)準(zhǔn)[4]。觀點(diǎn)性文章嚴(yán)格說(shuō)來(lái)并不屬于學(xué)術(shù)論文，這篇文章沿用了前人的研究方法，加入了近20年來(lái)多個(gè)火星探測(cè)器積累的觀測(cè)數(shù)據(jù)，重新梳理了火星上所有可能的二氧化碳來(lái)源。
火星上有哪些潛在的二氧化碳儲(chǔ)備呢？
1）南北兩極
火星和地球的自轉(zhuǎn)軸傾角相似，因此火星也有著和地球相似的季節(jié)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(tài)二氧化碳）儲(chǔ)備。
但是很遺憾，把表面這點(diǎn)冰蓋里的干冰全部轉(zhuǎn)化成二氧化碳?xì)怏w也只能把火星大氣壓提高2 mbar。
不過(guò)，雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示，埋藏在火星極區(qū)地下還有一些干冰，這個(gè)更多一點(diǎn)，相當(dāng)于12 mbar。
此外，根據(jù)火星目前極區(qū)的溫度和壓強(qiáng)推測(cè)，水分子中可能絡(luò)合二氧化碳分子，全釋放出來(lái)的話最多相當(dāng)于150 mbar，這倒是量挺大的…不過(guò)問(wèn)題是…這只是理論上的估計(jì)，實(shí)際上根本沒(méi)在火星極區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)水分子中絡(luò)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(tài)二氧化碳）。來(lái)源：NASA
2）火星表層土壤（風(fēng)化層）
火星的風(fēng)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(xiàn)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(huán)境下玄武巖高度風(fēng)化的產(chǎn)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(xiàn)[5]
雖然火星全球的風(fēng)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(lái)（甭管怎么弄出來(lái)的），滿打滿算估計(jì)相當(dāng)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(jìn)入巖石中反應(yīng)形成的，也就是說(shuō)，它們是曾經(jīng)火星的二氧化碳以另一種形式貯存起來(lái)的倉(cāng)庫(kù)。
但火星上目前發(fā)現(xiàn)的暴露出來(lái)的碳酸鹽礦物區(qū)域并不多，合理估計(jì)可能只相當(dāng)于0.25 mbar，滿打滿算也很難超過(guò)50 mbar（依然甭管怎么弄出來(lái)）。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(fā)現(xiàn)，但一方面目前的技術(shù)探測(cè)不到，另一方面以目前的技術(shù)也難以挖掘和使用。
△火星勘測(cè)軌道飛行器（MRO）數(shù)據(jù)繪制的北半球低緯區(qū)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(qū)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(lái)源：NASA/ JPL/Caltech/JHUAPL/Univ.of Arizona
以上這些統(tǒng)統(tǒng)加起來(lái)，也就只有地球大氣壓的10%。
問(wèn)題是，以目前的技術(shù)，這些二氧化碳儲(chǔ)備其實(shí)不可能達(dá)到百分百的利用率，只有其中一部分可以最終變?yōu)槎趸細(xì)怏w釋放到火星大氣中。更重要的是，由于沒(méi)有磁場(chǎng)的保護(hù)，火星的大氣還在太陽(yáng)風(fēng)的轟擊之下不斷向外散逸——一去不回。
把這些因素也算進(jìn)去之后，火星的大氣壓應(yīng)當(dāng)只能增長(zhǎng)到20 mbar，也就是地球大氣壓的2%水平，由此產(chǎn)生的溫室效應(yīng)升溫最多只有10度，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以讓液態(tài)水穩(wěn)定存在。
也就是說(shuō)，以人類現(xiàn)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(dòng)了。
不過(guò)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(guò)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(huán)境里建立生態(tài)圈，長(zhǎng)久地生活下去的。
再說(shuō)了，封閉的環(huán)境更安全，不容易被隕石砸呢。想開點(diǎn)吧…
參考文獻(xiàn)
[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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