《火星改造之可行性研究》(转载）

《火星改造之可行性研究》

广州英豪中学  　原创作者： 罗桂生

火星是地球之内邻星，星等1.5—2.8等。地球人类对火星从迷惑到认识，从望星兴叹到飞临探测。从本世纪开始，人类将逐步对其实施改造，使之成为未来人类之第二家园。

(一)火星概况(火星改造的前提)：

(1)火星基本参数：距日平均2.28亿Km，直径6787Km，地球体积的15％、质量的10.8％、表面重力的38％，公转687地球日，轨道倾角24度(因而有四季气候更替)， 自转1.026地球日，有两颗小而不规则的天然卫星。

(2)火星)：气层：大气成份：C02 95％，N2 2.7％，Ar l.6％，02 0.13％，水蒸气0.03％，少量甲烷及微尘；气压700帕(地球大气密度之7％o)。

云层主要：是C02干冰，无O3层；经常刮风暴，沙尘满天，此起彼伏，风速可达180M／S。

(3)火星表面温度：尽管有温室效应，白天-12oC，晚上-76oC，平均-32oC；夏日中午短时可达290C以上，冬夜在-125oC以下。两极有白色极冠，主要成份为水冰，其次为干冰。极冠大小，随季节而变化，最大可覆盖到纬度60度。

(4)表面地质地貌：南半球主要是布满山脉、古河床和陨石坑的古老高原；北半球主要是布满火山熔岩的平原；地貌崎岖险恶。奥林匹斯盾火山直径700Km，火山口径80Km，高度27Km；赫拉斯陨石坑直径2000Km，深4Km；水手大峡谷长5000Km；古河床长1000Km，宽60Km。地表偶有火山活动。

岩石和土壤主要成份是石英和赤铁矿，岩石、石块、土壤、泥尘交融，看上去是一个低温、干燥、低气压、生锈、褐色的荒凉世界、不毛之地。没有生命设防：无磁场、无O3层、大气稀薄，太阳紫外线和宇宙线幅射很强，达生物致死剂量。

(二)地球人类对火星的探测(火星改造的基础)：

火星在天穹上是一颗红色亮星，自古就吸引了人们的注意。我国先人取名“荧惑”(奇妙的红光)；古巴比伦人称“尼嘎”(刚烈英雄)；古埃及人称“哈·底契”(红色亮星)；古希腊人称“阿瑞斯”(战神)；古罗马人称“玛尔斯”(神火之星)。Mars之名被国际沿用至今。

1609年伽利略用自制望远镜观测火星，开创人类用科学仪器研究火星之先河。1877年米兰天文台台长亚帕雷利斯基观测火星之后，宣布发现“火星运河”及“火星人!”于是“大战火星人”等小说和电影应运而生。1976年美国海盗号飞船拍摄到“西多尼亚人头”像，人们认为是火星人：正建造产物或认为是火星神灵显现，警告地球人类不得侵犯火星!

近半个世纪以来，现代人类陆续用先进仪器探测火星，主要目的是了解火星表面环境，以考虑人类如何前往生存：探索火星有否水源，并求证实火星是否存在生命。

1975年美国向火星发射“海盗1号”和“海盗2号”飞船，其轨道器和着陆器分别从空间到地面对火星99％的面积开展了多项勘测，采集土壤标本进行化验。研究表明，火星表面环境极端恶劣，连生命力极强的微生物也未能发现，更没有什么火星人!
之后人们收集到12块火星陨石，其中1984年美国学者在南极洲发现一块重1.9Kg的火星陨石(ALHS,4001)，发现其上有原始细胞化石，碳氢化合物及碳酸盐，类似于地球原始生命活动产物，一时又将火星生命探索推向高潮。

半世纪以来，美国、前苏联、欧洲、日本等陆续向火星发射三十八艘探测装置，其中二十一艘失败，十七艘成功，五个着陆器先后登陆，获空间、地面照片二十多万张，数据三万多份。最近两艘是2003年分别发射，2004年1月3日登陆的“勇气号”和1月25日登陆的“机遇号”火星探测车(高智能机器人)。经定点勘测，证实火星上存在一定数量的水(冰)，看到了火星远古海洋和洪水泛滥的残迹，科学界认为火星过去曾是一个温暖潮湿的世界。水是生命之先决条件，以上探测成果为解答火星生命之谜提供了线索，为地球人类未来对火星之改造、开发和利用开辟了前景。

有报道美国拟于2007年派出机器人去挖取火星岩石和土壤标本回地球化验， 2020年发射火星通讯卫星，通过国际合作-2030年建造火星轨道空间站，争取本世纪中实现地球人类之火星旅游及下世纪之火星移民。

(三)火星环境改造的可行性研究(火星改造的设想)：

地球人类对火星环境改造已进入议程：上世纪90年代欧空局就拟制了“登陆火星计划”，1998年在莫斯科召开了“火星探索国际会议”，2003年8月在美国召开了“火星移民研究国际会议”，这些举措表明地球人类决心通过国际合作登陆火星、改造火星、利用火星。但这些会议未能达成完全共识，未能拿出具体可行的操作方案。

火星是地球近邻，与地球共处宇宙生命域，是太阳系中唯一可以改造并让人类生活之星球。科学发展到今天，人类往返火星的航天基本技术(如飞行轨道、动力、内环境调控、废物处理、生命保障、通讯、起飞、着陆等)系列问题已解决，飞船飞往费时不长(约半年)，地球向火星的发射窗口(飞船沿地球与火星双切轨道飞行之起飞时机)也较多，约两年多一趟，因而对火星之研究成为近年天文和航天科研之热点课题。

地球人类打火星主意之目的主要有三个：

A，作为近期目的，探测火星水的丰度，确认火星今天或过去是否存在生命，地球生命起源之谜。火星生命之谜已列入“21世纪国际一百科学难题”；

B，以助于解开作为中期目的，在地球资源(包括能源)即将耗尽之际，向月球和火星索取成为必然；

C，作为远期目的，改造火星环境，使之成为拟地球，开发成科研、旅游甚至移民之星球，成为地球人类之第二家园。改造火星是一个极其宏大、艰苦的工程。从本世纪初开始，人类必须通过国际合作，有目的、有计划、有步骤地实施此工程。

工程步骤设想如下：


(1)进一步开展对火星的全面探测：

半个世纪以来，虽然人类对火星探测作了不少努力，但至今对火星了解还处于表象阶段。本世纪初首要之工作是围绕火星水的丰度和是否存在生命这两个核心课题，派出更多的飞船和机器人前往探测，并采回土石标本化验。应象阿波罗登月那样向火星派出宇航员，对火星作全面的、具体的、本质的研究。

之前美国海盗号登陆器已在火星上作过生命化学实验——采集火星土壤样品，加入以放射性同位素C14为骨架之氨基酸培养液，测量微生物新陈代谢呼出C02之放射性来确认火星生命，但仪器始终未测量到。

此处没有不代表他处，如果火星已孕发生命，在极端恶劣环境下只能是低等生命形式，最可能的是单细胞微生物。恶劣环境炼就这些微生物有顽强的生命力，将为地球人类勘测、改造火星带来极大的危险和困难。地球人类不具备抵抗火星微生物的抗体，一旦接触可能有生命危险。如果飞船和宇航员不慎将火星微生物带回地球，则可能造成全球人类和动植物之病疫灾难。

如果不慎将地球微生物带上火星，在异乡环境作用下，可导致其DNA变异重组产生变异型；又可能出现两星球微生物混合产生变种。因此飞船和人员在两星球之间往来，都必须经过严格的消毒灭菌程序。“火星人”侵略地球并不可怕，火星细菌侵略地球才是最可怕的!


(2)建立火星空间站和通讯网络：

为空间来往交通方便，应在地球和火星分别建空间站(航天运输中继站)，用作交通、科研、储物和通讯，这是人类登陆火星之跳板。利用火星天然卫星建造空间站更加价廉物美。火星两个卫星物质密度甚小，可能含有丰富的水冰，可供空间站便用。
火星与地球空间距离按运行位置不同，在5600万Km至3.2亿Km之间(地火两星球电波传递约需时约3分钟至18分钟)，通讯设备功率不能无限增大，应采用凹面天线作定向通讯，以降低功率，节约能量，提高效能。为方便地球人类登陆火星，应建立两星通讯网络。


(3)建立火星地面站：

火星地面站是地球人类从空间向地面伸延的桥头堡，其功能主要是实验室，同时用作交通站，仪器室、材料库和通讯站，是人类立足火星扩大领域之基地。

初期地面站为开敞式，由机器人操作，由航天员在火星空间站操纵。后续地面站为封闭式(保护式)，规模更大功能更完善，由航天员直接操作。

火星地面站的科学探索主要解决人类登陆火星的关键技术问题，如火星表面环境改造，人类在火星的生命健康保障(阳光、空气、水、食物、温度、环境保障)，火星能源(太阳能、电能、核能、风能、燃油气)的勘探、开发和应用，火星资源(极冠冰层、地下水源、土石材料、CO2气体)的勘探、开发和利用，火星生态系统(园林、农场、沼泽、绿地)的建立等科学试验和可行性研究。
核心技术项目是人类生命和健康保障研究。航天员飞行和登陆火星尽管有密闭的飞船和航天服，生命风险也是很大的。

其一是受往返发射窗口(地球、火星双切轨道时机)限制，飞行单程约半年，来回飞行一年，在火星上须停留1年2个月，每趟用时2年多。想缩减来回时间就得提高飞船速度，按双曲线轨道飞行，但受飞船荷载燃料数量限制而不可行。此期间航天员将经受空间超重、微重、失重及火星表面低重环境影响。

有报道航天员在太空生活一个月，骨骼就脱钙2％，腿肌萎缩5％，一回到地球须人扶持甚至抬上担架。心理变态则更为明显。在两年多太空之旅中，航天员身心能否经受得起?如果在火星上因设备等故障而错过发射窗口，航天员需再等两年多才能回地球!哺乳动物太空试验必然先行，但终究不能代替人类。

其二是在漫长之火星旅途中，太空陨石可能袭击飞船。与地球空间情况不同，数十亿年来，地球之引力球已将与其轨道相交相切之彗星，零星沙石“扫荡”了相当部份，从而减少对地球空间飞船的危害。地球空间飞船多在低轨道，受地球磁场保护。而地火空间受袭机会将较大，一般陨石都能闯过火星稀薄的大气层直达火星表面，击毁地面站甚至击伤人畜。

其三是高能宇宙幅射，包括银河幅射和太阳幅射。银河幅射主要是伽玛射线、带电质子和阿尔法粒子流，通量达3颗／cm2·S，接近光速。其高能重粒子(如铁核离子)能量达1016Ve，能击穿飞船、航天服及地面站并穿过人体。人体受幅射伤害是积累性的，达一定剂量可致白内障、放射病和癌症。此外太阳活动峰年也幅射高能质子。这些幅射在飞船上以及没有偶极磁场的火星上都无法避免，室内只能躲过太阳紫外线和宇宙伽玛线。

火星地面站还要开展与火星开发相关的技术科研，如地球抗旱抗寒动植物移植的研究，地下水(冰)开采研究，火星机械操作研究，房舍密封研究等：同时还要开展水、能源、资源勘探；电力系统、通讯系统、运输道路、科研实验、生活医疗、物资储存等方案设计，为日后火星开发提供理论和实践依据。


(4)建立火星系列基地，实施火星环境改造：

地球人类到火星去总不能老躲在建筑物内，要获得自由就得建立火星系列基地，实施火星环境改造。

首先要提高火星表面温度，设计有——在空间轨道上建系列大型反射镜，将阳光反射到地面；向极冠撒火星尘土，帮助吸收阳光热量而融化；生产和释放氯氟烃气体，增强温室效应效果；建地热采集系统，提升地温；建核电站，输出温度等。

增加大气浓度，改变大气组份，设计有——与地表升温同步，极冠水冰和干冰将部分融解或升华成气态，土壤中的CO2也将释放出来。为使O2增加，可将地球极地雪山抗旱、抗寒、抗贫脊的绿色低等自养植物移植到火星，逐步绿化火星。火星太阳光强度不及地球一半，可用人工电光源补充，以增强植物光合作用释放O2。火星水资源宝贵，一般不作电解取氧，而遍地之氧化铁就是丰富之氧源，可通过工业分解释放O2。

N2需要量最多，要增加可能最困难。火星氮源稀少，此问题悬而未决，可能一边在火星勘探，一边从地球输送液氮。还可考虑以工业生产释放O3，抵抗太阳紫外线幅射。地球人类之生理活动已完全适应地球环境，只能以地球为模板逐步改造火星。其实不管怎样努力，要使火星环境与地球完全一致是不可能的，只能改造成拟地球而已。

建立火星表面生态环境，设计有——从地球运去大批充气透明塑料屋作火星暖棚(顶层镀上金属涂层抗太阳紫外线)，同时选择地球极地冻土带和雪山之耐寒、耐旱、不怕脊土、生命力强之低等自养绿色植物作为登陆火星之先锋植物，如冰雪藻类、冷水鹿角菜、雪地苔藓、地衣、石松蕨等。通过生物风化作用，干燥贫脊的土石变成含水的土壤之后，再移植一些抗寒抗旱的微生物、真菌、蕨类、松柏科、菊科、莎草科植物。将来环境有所改善，再移植灌木、花卉到室外，逐步建立火星绿洲、草原和园林，形成良好的生态环境。

建立火星农牧业，解决粮副食品自给，设计有——初期火星农业是温室农业，作物和禽畜是转基因或基因变异后之抗旱抗寒品种，谷类、薯类、蔬菜、果树、蜜蜂、家禽、家畜须针对环境选择。火星大气丰富之CO2有助于农作物丰产，但室内太阳光太弱，须增加电光源。农作物和禽畜生命力较脆弱，须待火星气温、水份、土壤、肥力等环境改造到一定程度才能开展室外大田农牧业。
建设能源和原材料工业设施，设想是——建核电站，建液氢和液氧工厂(解决车辆、机械及回航火箭能源)，建大规模太阳能、电能、风能设施；开采金属矿藏、提炼金属材料；开采石块、粘土，建筑厂房。火星能源和材料只能就地取材，如果靠地球运去，成本太高，以目前之空间运载能力也不可及。

建设人类生活基础设施，设计有——建居民区房舍，确保供温、供水、供电、供呼吸用气；筑好道路、车场、火箭发射场，确保交通畅通；建好仓库、储备粮食、饮用水和生活物资，为接待地球旅行者甚至定居者作好准备。


(5)实施火星旅游或火星移民：

经历一两个世纪的努力之后，在火星环境改造到人类可以忍受的情况下，以及火星基础设施建设，生活资料生产已具规模之条件下，可考虑火星旅游或移民。

目前火星旅行方案有1952年美国布劳恩的“火星舰队计划”，1987年美国宇航局的“超大飞船计划”，1992年美国火星学会的“火星直航计划”，这些计划都在高科技、少投资、高效益、少风险等方面作了研讨。按照我国王思潮、严家荣两位专家的看法，要实现上述计划是一两个世纪以后的事。

当年美国实施阿波罗计划耗资250亿美元，实施火星计划耗资可能是个天文数字，必须开展国际合作，以确保经费、技术、人力、物力之投入。

美国人蒂托和沙特人尔沃斯于本世纪初出巨资购买飞船票上太空，开创了平民太空旅行和太空生活的时代。火星之商业旅游和移民时代一定会到来。至于目前飞往火星及火星改造方面遇到的困难，随着人类现代科学技术飞速发展，一定会逐步解决。
以上设想是否可行，须经多方论证，更重要的是须经实践检验。地球人类是万物之灵，经国际合作，经一代一代人之努力，火星一定被改造。我要强调的是：我们必须把火星之旅、火星改造之设想告诉我们的学生，让他们把这种设想变成理想，立志当祖国新世纪航天员，去参与伟大的火星工程！