要給地球套個星環，需要分幾步？
據說，大約45億年前的冥古宙，地球是一個有自己星環的漂亮姑娘。然而，彼時的太陽系是個修羅場，各種不老實的天體在紊亂的引力場中酒後駕車。終於，一個和火星差不多大的，被我們喚作Theia的冒失鬼與地球相撞，美女自此香消玉殞。較大的地球吸收了大多數物質，最終變成了我們現在的家園；而Theia則小了許多，被地球按在同步軌道上服無期徒刑，變成了那個和嫦娥、玉兔、桂樹、七夕和五仁相關的東西。
關於星環的浪漫想像，許多人早有嘗試。藝術家羅恩·米勒利用卡西尼（Cassini）探測器數據和繪圖軟體，把土星環搬到地球外緣；科幻作家金·斯坦利·羅賓遜在小說《2313》里描述星環衝浪的盛況。那圈行星引力作用下靜靜懸浮的星際物質，海魂衫一樣優雅的帶狀條紋，成為太空美學的基礎概念。
為了在2243年，將地球建設為獵戶懸臂首席，銀河系內聞名的旅遊勝地，未來局邀請木石老師為地球規划了若干種製造星環的方法——利用小行星帶、太空垃圾、人造冰塊等等。但幾種不同的方法也面臨著各自的問題。譬如，你舍不捨得為此炸掉月亮？雖然一開始惹禍的就是它，但幾十億年的感情也蠻微妙的。
公元1610年，當伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）第一次用他自製的折射式望遠鏡看向天空，看向當時人們熟知的土星時，他驚訝的發現土星周圍有兩個發光的「耳朵」。聯想到地球和月亮，於是他在寫給義大利托斯卡納區的大公科西莫二世（Cosimo II de Medici）的信件里寫道：
「土星並不是孤立的，它是由三個幾乎靠在一起但是沒有相互運動的天體組成[1]。它們分布在一條與黃道[2]平行的線上，中間一個大概是側面的兩個的三倍大。」
[1] 有趣的是，早期的天文學家在他們的結果被正式發表之前喜歡用一些顛倒順序的片語成的字謎來命名他們的新發現以保護他們對這一發現的所有權，他們往往會在字謎里留下他們做出這一新發現的聲明。伽利略對他發現土星和周圍的「耳朵」用的是「smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras」，拆開了是「Altissimum planetam tergeminum observavi」（我觀測到了最遠的行星是一個三體系統）。
[2] 黃道即太陽在天球上運動的軌跡所覆蓋的帶，其實就是地球繞太陽運動的橢圓所在的平面。
到了1655年，克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）使用他更加強大的望遠鏡觀測土星，第一次提出土星周圍應該是被一個光環所環繞著。當然太陽系中不只有土星擁有光環，大一些的像木星，天王星，海王星也都擁有它們自己的光環，並且大小各異。
土星和它的光環
土星光環的產生原因還沒有最終的定論，但基本的幾種可能性——第一種是土星周圍的衛星由於某種原因被土星自身的引力產生的潮汐力所瓦解，或者是受到外界飛過來的小行星撞擊而產生；第二種解釋是在土星形成之時，星雲里的物質由於帶有局部的角動量從而產生的；最後，近些年卡西尼（Cassini）探測器[3]拍攝到了土衛二的南極噴射出了物質（氣體等），這些土星的衛星噴射出物質又提供了第三種土星光環形成的可能性。
[3] 卡西尼（Cassini）探測器：1997年10月15日升空，用於研究土星及其周圍衛星，經過6年零8個月於2004年7月1日抵達環土星軌道。
土星的光環主要由直徑從微米到米之間的冰以及少量硅酸鹽所組成。其主要部分分布在距土星表面7,000到80,000公里的範圍內，厚度分布從10米到1公里。其質量據估計約為3x10^19 - 10^20千克。光環可以進一步按照密度等分為不同的子部分（卡西尼環縫等等）。相比而言，土星本身的半徑約為60,300公里，質量約為5.7x10^26千克，幾乎是光環的5百萬倍。所以實際上土星光環相對於土星本身的質量只佔有非常微小的一部分。
土星美麗的光環給人帶來無限的想像。常年工作在美國南波士頓的藝術家羅恩·米勒（Ron Miller）[4]就利用卡西尼（Cassini）探測器發回的數據繪製出了許多想像圖，描繪了如果地球也如同土星一樣被光環所環繞（或者我們站在土星上），人們將看到怎樣的景象。難以想像如果真有覆蓋天幕的巨大且扁平的環帶伴隨著我們每天每一次抬頭望向天空，生活將有怎樣的不同。至少情侶們夜晚除了看看星星，還能夠看一下頭頂的光環了。
[4] 羅恩·米勒（Ron Miller）：美國插畫家和作家，出生於1947年5月8日，長期從事天文和宇航科幻小說的寫作，出版了?The Art of Chesley Bonestell?、?Digital Art?等暢銷書籍。
地球如果也有光環，人們將看到的景象
那麼有沒有可能給地球也人工製造一個如同土星一樣的光環呢？筆者提出幾個想法，僅作拋磚引玉，供大家討論：
一、通過火箭將水或岩石運輸到繞地軌道上
最簡單的方法當然是設法將地球上的水運到類似的軌道上。類比土星光環的尺寸與土星半徑的比例，地球要產生一個類似的光環需要將水凍結成冰（只要運輸到太空水自然會結冰）之後，運輸到距離地球表面731公里到8,350公里的範圍內。
我想可能不少人會感到驚訝，最近只需要將冰和岩石運輸到731公里上，這一距離大約相當於北京到青島的距離，甚至還在大氣層最外層以內。然而由於需要將1.2x10^18千克的物質運輸到平均距地表4,000公里（731公里到8,350公里的中間值）遠的距離上，這依然是目前人類難以辦到的。運輸這些物質所需的能量，大約相當於引爆1千萬顆「沙皇氫彈」[5]。拿中國2015年的總發電量來作為比較，大約需要14萬年才能將如此多的物質運輸上去。
當然這裡還是不考慮運輸時的飛船本身所需要的能量，假設利用電磁軌道炮之類的東西直接將物質彈射到繞地軌道上。當然14萬年與地球的年齡相比其實十分短暫，而且人類利用能量的效率隨著時間呈現出越來越快的發展，筆者相信若真有雄心，人類是有能力將這一時間縮短到千年的量級。
[5] 沙皇氫彈：目前人類試爆過的最大氫彈，相當於5000萬噸級TNT，由前蘇聯製造，並於1961年10月30日在北冰洋新地島群島西岸爆炸。
二、利用月球（日全食消失）
土星本身的質量約為其光環質量的5百萬倍，而地球質量（6.0x10^24千克）約為月球質量（7.3x10^22千克）的80倍。直覺上，由於月球質量足夠大，要利用月球上的物質儲量產生一個類似的光環看似也是可行的方法。然而需要考慮到一個事實：地球半徑為6,300公里，而月球軌道距地球中心距離為36-40萬公里。與土星半徑及其光環尺寸相比，月亮離地球實在是太遙遠。
為了直觀對比土星及其光環，以及地月之間的距離，可以看下面這張圖，將月球炸掉並將物質運輸到地球周圍的難度，甚至遠大於直接將地球上的物質通過火箭或者軌道炮運輸到較近的環地球軌道上。並且如果我們真的將這麼多的月球物質運輸到地球周圍，考慮到動量守恆（我們需要將一部分物質向著地球投射過去），月球會被輕微地推離地球，說不定到時候地球上就只能看到日環食，再也看不到日全食了[6]。
[6] 再也看不到日全食了：當然這件事本身其實只是遲早的事情，因為目前月球確實正以非常緩慢的速度遠離地球。
土星及其光環，以及地月尺度的對比
三、利用火星和木星之間的小行星帶
在火星和木星之間存在一個小行星帶，這些小行星之所以停留在這個位置上，主要是由於木星與太陽的引力相互作用的結果。如果人類有能力發射大型飛船到達這一小行星帶，只要適當計算好，將一些小行星按照特定的方向推離小行星帶，那麼它們就將按照一定的軌跡飛向地球，而且在飛向地球的過程中可以藉助一些碰撞，讓這些小行星在帶內瓦解成更小的部分。如果一切設計都合適，這些被瓦解了的小行星將在慣性和引力的作用下自動飛到地球周圍，並被地球束縛住，最終在太陽的照射下形成地球自己的光環。
火星和木星之間的小行星帶
四、利用已有的會靠近地球的小行星
平時極少數的情況下會有小行星飛到地球和月球之間，例如編號為2005 YU55的小行星，就曾於2011年11月8日飛過月球軌道內。由於目前人類能夠非常精確地確定這些小行星飛躍的時間和地點，只要事先安放一些飛行器在小行星的軌道上，就能夠將其推離預定的軌跡從而飛向地球。利用一些較大一點的小行星，有望非常簡單地在地球周圍產生一個光環。
五、人造衛星
目前地球的人造衛星數目飛速增長，可以預計不遠的未來，這些人造衛星老化，損毀產生的太空垃圾正好能夠被利用作為產生光環的原材料。利用發射上去的專用衛星，將這些太空垃圾搜集起來，我們有望能夠獲得製造光環足夠的材料。甚至，這些金屬的人造衛星利用人工智慧能夠自組織地形成一個機械化可供人類生存的環地球太空站，實現類似《星際迷航》中那宏偉的太空站。
六、不同層用不同材料——五彩的光環
假設我們已經有能力將冰或者岩石運輸到軌道里形成光環，那麼具體運送什麼樣的物質去往軌道上就可以選擇了。最有趣的是我們可以挑選不同顏色的物質運送上去，最終產生出類似於彩虹一樣五彩的光環，不再僅僅是像土星一樣單一顏色不同灰度的光環了。
多彩的光環
這裡需要強調一下，地球上難以按照比例維持一個和土星相對大小相同的光環，理由是相對土星的半徑而言，土星的大氣薄一些，厚度約為幾百公里，距離其光環最內層還有不少距離，在光環內物質在軌道上繞土星運動的時候並不會受到很大的摩擦阻力，不會耗散能量，所以能夠長時間待在軌道上。
而地球的情況則不同，大氣相對厚不少，最上層的稀薄的部分甚至能夠延伸到1,000公里，於是按照土星的比例產生的光環，內部會有一些部分受到地球大氣中稀薄的氣體的摩擦阻力，光環內部的冰和碎石長時間繞轉厚軌道高度會下落，如果沒有能量補充機制，最終這些內層的冰和碎石會掉落回地球。然後每天晚上人們就能夠不斷看到頭頂上有流星飛過了（笑）。當然這一問題很容易解決，只要讓光環的所在範圍稍微遠離一些就行了。
地球如果有光環，在波利尼西亞附近可能是這樣
在厄瓜多的基多看可能是這樣
那麼假設我們已經給地球成功製造了一個光環，有了光環地球上的生活會有怎樣的不同呢？其實這是一個非常複雜的問題。
由於光環的遮擋效應，地球上的人們會有很大一部分每天會被光環產生的陰影所覆蓋，從而看不到太陽。並且，這不僅僅只是看不到太陽而已，由於光環的遮擋效應，地表和大氣接收到的太陽輻射變少，地表的氣溫會有相應的降低，預計如果由於光環產生的遮擋效應減小了地球20%的受太陽輻射面積，那麼地表的平均溫度會降到-0.7度左右。
如此大的溫度變化，對地球的氣候、自然環境和物種會造成不可估量的影響。遮擋較長的地區會有大批生物滅絕，也會有許多人類需要遷移到光照不受影響的地區。南極冰層會變厚，北極也會產生大量冰封的區域。甚至，由於地表溫度分布的變化，地震帶的分布也會擴大，地球部分區域會出現更加劇烈的地震活動。
當然，我想如果人類已經有能力人為給地球製造光環，這些問題都應該是比較容易克服的。
責編：高小山
插圖：Ron Miller
木石
一個算是戰鬥在一線的天文工作者，主要研究超大質量黑洞、活動星系核，遊歷於觀測與數據的汪洋大海之中。
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