诵读科学经典 弘扬科学精神——再造一个地球 人类移民火星之路

“诵读科学经典,弘扬科学精神”——大家好,我是来自中国科学院国家天文台探月党支部的刘宇轩。今天,我想要和大家分享文章是节选自欧阳自远先生的科普著作《再造一个地球》,本书由北京理工大学出版社2009年9月出版。

欧阳自远先生出生于1935年,是著名的天体化学与地球化学家,中国月球探测工程首席科学家,被誉为“嫦娥之父”,中国科学院院士、第三世界科学院院士、国际宇航科学院院士。先生长期从事地球化学、天体化学、比较行星学、地外物体撞击地球诱发生态环境灾变与生物灭绝等研究。

本书是科技部“科技计划科普化示范项目”,并入评“十一五”国家重点图书出版规划项目,旨在向公众普及前沿科学技术知识,让自主创新的成果进一步惠及广大公众;是欧阳自远先生在繁忙的工作之余,承担社会科普责任,热心参与科普事业,尽心策划和著述,为广大公众带来的科普著作。

下面我给大家分享本书部分章节的内容。

你愿意住在火星上吗?

这也许是一百年甚至几百年后的焦点话题。

火星,这颗红色的行星,也许曾经温暖湿润,成为太阳系里第一个生命的天堂;也许在遥远的未来将会是唯一适合我们居住的行星。它在许多方面都酷似地球,本应该成为地球的孪生兄弟;它在数百年前就引发了我们对外星生命的好奇和向往,一直到上个世纪还有不少人相信有火星人的存在;它是我们向太空开拓生存空间的头号目标,也是整个太阳系里,对生命最为友好的邻居——但现在,它仍然还是一个寒冷、干燥、贫瘠、荒芜的世界……

第一节 火星现在时

这是一颗满目疮夷的行星。它和地球一样有着多种多样的地形,而且各种地貌特征都会比地球上的同类结构大上几号:这里有着整个太阳系最高的山峰、最深的峡谷、最广阔的平原和最大的沟渠。因为没有板块构造,搬运和侵蚀作用也显得微乎其微,许多古老的地形一直保留到了现在。南北两个半球的地貌截然不同,北半球是广阔的平缓低地,南半球则是遍布撞击坑的高地。火星北极比南极低了大约6千米,假如现在我们在火星灌满水,前提是假如水可以保持液态,有3/4的水都会流到北半球。整个行星表面布满了沙尘和岩石,目力所及都是一片红褐色,和地球上最为干旱的某些沙漠的风貌倒是颇为类似——比如智利的阿塔卡马沙漠。虽然我们常说火星土壤,但千万不要把那里的土壤和地球上平时常见的土壤相混淆。只要踏足火星,你会发现脚下的土壤不像地球上的那样潮湿松软,这里还没有发现有机物和液态水,而且温度非常低,有大面积的坚硬冻土。

火星表面的大气非常稀薄,不过大气层的种种活动倒是一点也没打折扣,反而比地球上还要猛烈。狂风肆虐,沙尘暴卷起沙漠的碎石,夏季尘暴最大的时候足以覆盖整个星球。火星的天空也有云,不过通常非常薄,而且形成云的不是水滴,而是冰晶,包括干冰和水冰。大气的温室效应很弱,离太阳又比地球远得多,因此火星表面可以说非常寒冷,年平均温度是-57℃,最低温度可以达到-132℃。

第二节 温室效应革命

要在火星上诱发与地球相似的温和环境,首先第一步是提高表面温度。热量的来源有两个:太阳和火星内部。火星与太阳之间的距离显然是无法改变的;我们也无法穿越时空,让一颗已经沉寂的行星内部起死回生。虽然有证据表明,火星在最近1500万年间还有过火山爆发,但这既无法预测又无法控制,而且不是全球性的。以现有的技术条件看,最简单的办法莫过于增加火星大气的温室效应,以逐步提高火星的表面温度——同时,大气的密度和组分也能够得到改善。我们的目标是:气压、温度和成分,一个都不能少。

虽然温室效应如今在地球上被人类视为洪水猛兽,但它其实曾经是地球能够拥有生命的关键。要在另一个距离太阳更远、质量更小的星球上获得适宜的温度,更需要借助温室气体的力量。

二氧化碳是著名的温室气体,但问题在于它太稀薄了。火星上不缺少二氧化碳,极冠里有大量的干冰,土壤里也冻结了不少。虽然不像地球那样,二氧化碳可以在大气层和岩石圈之间交换,但如果能让火星表面的二氧化碳进入火星大气层,则火星表面会暖和得多——这其实陷入了一个死循环:因为温度太低,二氧化碳被冻结了;因为大气中缺少二氧化碳,温度变得更低。因为我们必须做点什么来启动另一个循环:温度升高使得二氧化碳从极冠和土壤中释放出来,二氧化碳又会加大火星大气的温室效应,从而使得温度进一步升高:这就像一个放在斜坡上的巨大车轮,只要用力推上一把,让它开始滚动,它就会一直不停地滚动下去。然后让火星上演一次轰轰烈烈的温室效应革命。

第三节 从红火星到绿火星

在最初的升温之后,火星土壤的二氧化碳将因为温度的升高而升华。如果火星土壤里的二氧化碳能够全部释放出来,其温室效应就足以使火星表面在20年内再升高5℃左右。届时火星表面的大气压将能达到地球的十分之一。同时,液态水也能在表面的局部地区存在,将会出现雨、雪等天气,更多的地方则可能是霜降。水蒸气也是有效的温室效应气体之一,而且水对于人类而言还有无数其他的用途,液态水更堪称生命的瑰宝。

这时候我们可以进行火星改造的第二步:着手设法让大气的组分向地球的模板靠近。因此,我们要种植植物。

“凤凰号”报告过火星的土壤成分。植物学家们认为在地球上的相似土壤里可以种植的作物包括芦笋、青豆。不过即使土壤符合条件,要在火星上享受芦笋大餐还是得好些年头之后了。我们要对付的是低温、干旱、低气压和贫瘠土壤,就算是经过几百年的加温还是如此。地表的土壤甚至可能有剧毒。另外,强烈的辐射也是一个需要考虑的问题。最先登陆火星的物种一定是那些生命力极其顽强,又同时比较适应火星环境的种属,比如细菌或者地衣。

细菌是很重要的,即使在含有高氯酸盐的土壤中,也照样有细菌能够生存。他们是古怪而强韧的小东西,不管是高温、寒冷、干旱、毒性、不见天日甚至辐射,总有那么一些能够安然无恙地活下来。细菌可能改变土壤的成分,使其更适合植物生长;也可能改变大气的组分,向大气中释放氧气和甲烷。这是相当漫长而艰辛的工作,需要长久的等待。同时,火星表面的温室效应也还在进行着,越来越多的二氧化碳被排放到大气中,越来越多的植物在火星表面生存,这两个过程同时进行。植物吸收二氧化碳,放出氧气,大气中的氧气逐渐增多。随着氧气的增多,臭氧也将会出现。假以时日,火星的平流层中,也许也会出现一个臭氧层。

历史仿佛在重演这数十亿年前发生在另一个行星上的一幕一幕,大气的成分在生命的挣扎求存中逐渐改变……

由于本书篇幅过长,暂且和大家分享这些章节。

本书讨论和设想了太空移民,是非常具有前瞻性的大胆设想与充满想象力的科学探讨。欧阳自远院士的想象力不仅仅停留在书本,而是通过几十载的执行力刻在了中国航天史的丰碑上。从1978年开始研究美国访华带来的月岩,到筹备和立项实施中国人自己的探月工程;从探月工程享誉世界的五战五捷,到2020年,火星首次任务被正式命名为“天问一号”准备启航(此文写于“天问一号”成功发射前);欧阳自远先生“爱国、创新、求实、奉献、协同、育人”的新时代科学家精神体现得淋漓尽致。正是在这种精神的感召下,广大科技工作者纷纷追求真理、勇攀高峰,为祖国和人民贡献出自己的智慧和汗水。而本人作为中国嫦娥探月工程和火星探测工程的一名普通科研工作者,有幸参与其中,时刻被欧阳自远先生的精神感染和激励着。再造一个地球,不仅仅是梦想,终将在一代又一代科学家的努力奋斗下成为现实。

(朗诵文摘自《再造一个地球——人类移民火星之路》,原文作者:欧阳自远,朗诵人:刘宇轩)