火星殖民計劃真的可行嗎？馬斯克和科學家在推特上懟了起來

作為SpaceX的首席執行官兼首席設計師，馬斯克希望讓人類成為「多行星物種」，而火星就是起點。這顆紅色的行星距離地球比較近，地表曾經有過海洋和河流，而且至今仍有冰川和地下湖泊的存在。此外，火星的氣候也大有可為，該行星的表面溫度範圍（華氏-285度到88度）跟地球（華氏-126度到138度）差不了多少。問題在於，火星大氣現在的氣壓只有0.006巴，而地球海平面的標準氣壓是1巴。這不僅意味著危險水平的輻射可以暢行無阻地到達火星表面，而且人類至少需要0.063巴的氣壓來保持我們的體液不至於被煮沸（這被稱為「阿姆斯特朗極限」）。

所謂地球化，就是對一顆行星的氣候、地形或生態進行改造，以使其更適宜生命生存。如果我們能夠將火星的大氣壓力提升到略高於珠穆朗瑪峰峰頂（0.337巴）的水平，我們只需要戴著呼吸面罩就能在火星表面行走，不再需要穿戴加壓太空服。這或許可以被稱為弱地球化：這樣的改造還無法讓植物在溫室以外的土壤中生長。

左邊是早期火星環境的藝術渲染圖，右邊是火星如今的樣子。

為了達到那樣的效果，我們需要用到大量的氮，遠超科學家目前在火星表面勘明的水平。而且，我們還是無法直接呼吸火星的空氣。但在馬斯克看來，至少弱地球化是可行的。2016年，他在墨西哥舉行的國際宇航大會（International Astronautical Congress）上表示：「事實上，如果我們能夠讓火星升溫，我們將讓這顆星球再次擁有濃厚的大氣層以及液態的海洋。」

但事情真是這樣嗎？

不，短期內根本做不到。至少布魯斯·賈科斯基（Bruce Jakosky）最近在評估這一構想時是這樣認為的，他是來自科羅拉多大學博爾德分校（CU Boulder）的空間科學家，同時也是美國宇航局（NASA）火星大氣和揮發物演化任務（MAVEN）探測器的首席研究員。賈科斯基表示，地球化的概念日益普及（部分功勞屬於馬斯克）促使他和同樣來自博爾德分校的地質學家克里斯托弗·愛德華茲（Christopher Edwards）對地球化的可行性進行了評估。他們的結論是：行不通，「使用現如今的技術根本做不到」。在7月發表於《自然-天文學》（Nature Astronomy）雜誌的論文中，他們直接提到了馬斯克，並駁斥了後者使用核武器轟擊火星極地冰蓋以進行地球化改造的想法。他們認為，從冰蓋中釋放的二氧化碳數量並不足以引發失控溫室效應（RGE）。7月30日，《發現》（Discover）雜誌在推文中鏈接了一篇文章，題為《對不起，伊隆，沒有足夠的二氧化碳來讓火星地球化》，並以此來向馬斯克喊話。

於是，馬斯克進行了反擊。

「在火星上，大量二氧化碳被吸附在土壤中，加熱之後便會釋放出來。」他這樣回復《發現》雜誌的推文，「通過人工或自然（太陽）核聚變產生足夠多的能量，我們幾乎可以讓任何大型岩石天體地球化。」《發現》雜誌又用一則推文反駁馬斯克的評論，而後者在第二天兩度做出回復。第一次，他發推說：「哦，是嗎？我會看看你們專家說了什麼，也要給你們介紹一位在@NASA 工作的克里斯·麥凱（Chris McKay）。」然後，過了三分鐘，他再次發推：「科學道理」，後面還加了紅心、顯微鏡以及流星的表情符號，並鏈接了麥凱在1993年與人聯合發表的一篇論文，題為《火星地球化的技術要求》。

如果火星大氣中的二氧化碳至少有75%已經逃逸到太空，那麼這就意味著火星地下淺層幾乎沒有留存多少早期的濃厚大氣供我們調用。

麥凱是美國宇航局艾姆斯研究中心（Ames Research Center）的行星科學家，為什麼馬斯克要相信他而不是其他專家呢？筆者聯繫了麥凱，詢問他是否看過賈科斯基和愛德華茲7月發表在《自然-天文學》雜誌的那篇論文。該論文指出，MAVEN探測器在過去4年，以及火星快車號探測器（Mars Express）在過去15年，都曾實時觀測到火星大氣逃逸的現象；而火星勘測軌道飛行器（MRO）和火星奧德賽號探測衛星（MO）則對「極地冰蓋中含碳礦物的丰度以及二氧化碳的排放情況」進行過分析。論文作者表示，這些新數據點表明：首先，火星濃厚的古代大氣層大部分已經逃逸到太空，而不是轉移回目前尚未勘明的地下淺層二氧化碳儲層；其次，不管火星地下有多少二氧化碳，都「無法獲取，因而無法被調用起來」釋放到大氣層。

「我知道這篇論文。」麥凱說，「他們正確的地方在於，火星地球化的關鍵問題確實是二氧化碳、氮氣和水的含量。不幸的是，我們還沒有什麼新手段可以來解決這個問題。」在麥凱看來，賈科斯基和愛德華茲指出的那些新數據還不夠好。

麥凱讓筆者閱讀一篇1991年發表在《自然》雜誌上的論文，由他跟兩位同事——歐文·圖（Owen Toon）和詹姆斯·卡斯廷（James Kasting）——共同撰寫，題為《讓火星適宜居住》。麥凱說，他當時得出的結論至今仍然適用，即我們仍然不清楚火星上二氧化碳、水和氮的含量和分布情況。「對於地表之下二氧化碳的數量有多少，我們仍然非常不確定。我們沒有很好的數據，我們將需要深入鑽探才能獲取這些數據。」他表示，賈科斯基和愛德華斯得出火星近期內不可能地球化的結論還「為時過早」。

麥凱並非唯一持這種觀點的人，他1993年那篇論文的共同作者羅伯特·祖布林（Robert Zubrin）也有相同的看法。祖布林是一位航天工程師、作家兼火星協會（Mars Society）的創始主席，該協會是一家倡導火星地球化的非營利組織。今年8月，祖布林在接受全國廣播公司新聞頻道（NBC News）採訪時表示，在火星建立文明將「增加人類文化的優勢和活力」。此外，他還認為，火星應該成為美國宇航局太空計劃的目標。

當被問及對賈科斯基的看法時，祖布林答道，他「不僅假裝掌握自己所沒有的知識，而且那種知識還跟已知的數據完全矛盾。」例如，賈科斯基在《自然-天文學》那篇論文中強調的最新研究結果表明，火星古代大氣中的二氧化碳至少有75%——也就是0.5巴——已經在數十億年前逃逸掉了，可能由太陽風和極端紫外線活動等因素造成。如果火星大氣中的二氧化碳至少有75%已經逃逸到太空，那麼這就意味著火星地下淺層幾乎沒有留存多少早期的濃厚大氣（根據賈科斯基的說法，不到1巴）供我們調用。賈科斯基和愛德華茲寫道，「顯而易見，一旦氣體逃逸到太空，它們就再也無法被調用回大氣層了。」在他們看來，留在火星地表可供獲取的二氧化碳只有少得可憐的0.020巴。

對於那75%的逃逸，賈科斯基是這樣計算的：假設如今觀測到的太陽風和紫外線活動在過去也曾發生，但強度更大（基於從類日恆星推算出的太陽演化歷史，他認為這一假設是成立的）。然後，把火星大氣中碳13和碳12的比值跟地表中碳13和碳12的比值進行比較。由於大氣中較重的同位素傾向於留存下來，而較輕的同位素傾向于飛走，那麼大氣二氧化碳中較重同位素的丰度將與地表的數值有所不同。賈科斯基和愛德華茲寫道，這種差異表明，火星大氣中的二氧化碳至少有四分之三已經流失了，而「逃逸到太空是火星古代二氧化碳這種溫室氣體的主要流失途徑」。這跟祖布林和麥凱支持的觀點相反，即另外的情況導致火星大氣中的二氧化碳流失，但仍然留存在這顆行星上——要麼被吸附在土壤中成為乾冰，要麼被鎖在含碳礦物之中。

好奇號火星探測器搜尋數據。

在祖布林和麥凱看來，這正是賈科斯基與已知數據相矛盾之處。他們告訴筆者，0.5巴的大氣二氧化碳流失雖說不能作為結論性的論斷，但至少是合理的（麥凱說：「他們到底測量的是二氧化碳流失還是氧氣流失，這裡面存在著一些爭議。」祖布林說：「那種說法有爭議，但我們姑且擱置，因為賈科斯基在這裡至少還是用數據在說話。」）。祖布林和麥凱無法認同的是賈科斯基的碳同位素分析：祖布林說，0.5巴的大氣二氧化碳流失不可能代表火星最初大氣總量的75%或者更多，這是因為「基於古代火星上液態水的已知數據，曾經至少有2巴的二氧化碳」包裹著這顆行星（當時地表的碳含量未知）。如果是這樣的話，那麼與賈科斯基的結論相反，火星地下淺層儲層中將留存有超過1巴的二氧化碳，它們被蒸發後足以引發失控溫室效應。

此外，祖布林還指出，科學家並不知道火星上碳12和碳13的原始比值是多少，而賈科斯基在其論文中也或多或少地承認了這一點（他是從火星隕石中推算出古代數值的）。祖布林補充說，最重要的是，賈科斯基「不知道地下土壤中碳12和碳13的比值」。「那可能跟大氣中的比值有著很大的不同，因為如果火星的大部分二氧化碳被固定在風化層（即覆蓋在基岩上的未固結岩石材料層），那麼「在數十億年前，當大部分大氣逃逸到太空時，兩個儲層留存的二氧化碳成分將截然不同」。麥凱對此表示認同，他說：「這裡的同位素數據僅僅指的是與大氣有接觸的碳儲層，與大氣隔絕的碳酸鹽岩石和二氧化碳乾冰沉積物並不能通過地表碳同位素比值來進行衡量。」

例如，火星南極的冰蓋就擁有跟大氣隔絕的沉積物礦藏。「這些地方尚未被很好地了解，它們的規模也未能完全確定。」麥凱說道。他提到2016年的一項研究，當時科學家使用火星勘測軌道飛行器上的淺層雷達（Shallow Radar）對該區域進行了遠程測繪，結果發現那裡的地表下擁有足夠多的二氧化碳乾冰，如果將之蒸發，那麼就有可能讓火星的氣壓增加一倍至0.012巴。

當然，那還遠遠不足以讓人類不穿加壓太空服就行走在火星表面，我們還需要找到更多的二氧化碳礦藏並把它們釋放到大氣當中。位於南極的礦藏「相對年輕」，麥凱說，「但火星更深的地方可能存在老的礦藏。」對他而言，MAVEN探測器和火星快車號探測器傳回的數據結果是「一個加分項」，因為「幾乎所有的氣候模型都表明，早期的火星必然擁有幾個巴的二氧化碳」，他說，「所以必然還有幾個巴留存」在地下淺層礦藏中，在那裡被埋藏了數十億年。

想像一下，1890年時火星上某個人要對地球的石油儲量進行估測，而那個人根本沒有在地球上進行鑽探。

筆者把這些話傳達給了賈科斯基，他回復說，他認為火星地表或地表附近已經幾乎沒有二氧化碳（大約相當於0.020巴）可供蒸發。這個估算是基於他的大氣二氧化碳流失分析以及這樣一個事實，即我們在對火星地表下10厘米進行探測後發現那裡沒有大量二氧化碳存在的跡象。在火星的其他幾個地方，包括撞擊隕石坑和巨大裂谷（比如水手號谷），也沒有發現大量的二氧化碳，而這兩種地表特徵已經顯露出火星不同深度的地殼層。

因此，如果火星上還埋藏有二氧化碳，它們必然位於難以觸及的更深地下。「你必須對自己看不到的東西做出假設。」賈科斯基告訴筆者，火星上可能還留存著大量埋藏的「深層碳酸鹽化」二氧化碳，但那些是不可企及的。他和愛德華茲寫道，「雖然碳酸鹽礦藏的數量沒有正式的上限——人們總是可以爭辯說，它們很好地隱藏在我們尚未或無法觀測到的地方——但那樣的礦藏從地質學上來說不太可能真實存在，而且很難或者根本無法挖掘出來用於地球化改造。」

對於同樣的信息，麥凱得出的結論則不那麼悲觀，也不那麼確鑿。「遺憾的是，在過去20年中，我們對火星地表之下知之甚少。我們需要更多的數據。」他對筆者說，「這顆行星的大小跟地球的大陸差不多，而且不同的地方看上去非常不同。」祖布林讓我想像一下，1890年時火星上某個人要對地球的石油儲量進行估測，而那個人根本沒有在地球上進行鑽探。「那就是賈科斯基的立場，」他說，「那太荒謬了，太可笑了。」

如果賈科斯基錯了，火星確實埋藏著幾個巴的二氧化碳可供我們調用，那麼我們就有可能迅速對火星進行地球化改造。「基於溫室氣體排放讓地球升溫的速度進行推斷，我們有可能在100年內將火星轉變為溫暖的氣候狀態。」麥凱在其為Nautilus撰寫的文章中解釋道，「最高效的方法是產生超級溫室氣體，比如氯氟烴，或者更好的全氟化合物，它們無毒，不會影響臭氧層的形成，而且能夠抵擋太陽紫外線輻射的破壞。好奇號探測器最近已經證實，火星岩石中含有氟，所以材料就地可取。」

在2001年的一篇論文中，麥凱和航天工程師瑪格麗塔·馬里諾娃（Margarita Marinova，現任SpaceX火星和載具系統開發高級工程師）寫道：「要產生足夠多的（全氟化碳）將火星溫度升高約9華氏度，需要約4x1020焦耳的能量，相當於大約75分鐘的火星陽光照射，這也相當於250個功率為500兆瓦的設施（小型核反應堆的規模）連續工作100年所做的功。」運營那些設施將需要用到很多人，此外還要有人來為火星殖民地的其他需求工作，比如說農業。祖布林認為，在火星啟動實質性的地球化改造需要50-100萬人。

無論是否可以讓火星地球化，起碼我們很快就能登陸這顆行星了。馬斯克計劃使用SpaceX剛剛在上個月發布的大獵鷹火箭（BFR）把人類送到火星，那些火箭在著陸後有一部分將組成「阿爾法火星基地」（Mars Base Alpha），馬斯克之前曾在Twitter上發布過基地的渲染圖。在澳大利亞演講時，他向聽眾展示了這張圖片，其中描繪了基地發展成為城鎮和城市的情景。他說，火星的新居民終將讓這顆行星實現地球化，那裡將成為「一個不錯的好去處」。

翻譯：何無魚

審校：李莉

編輯：漫倩

來源：Nautilus

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