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完全改造后的火星的逼真图像。图片来源：DaeinBallard

让火星变得像地球一样原则上并非不可能，但所需的质量、热量、氧气和能量的规模使其远远超出了目前的能力。

改造火星一直是个令人望而生畏的想法。改造整个行星的环境是一项非凡的挑战，科学家和工程师们数十年的研究得出了一个相似的结论：火星在可预见的未来不会变得像地球一样。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的斯拉瓦图里舍夫在《APS开放科学》上发表的一项新研究有助于解释其中的原因。

火星有遥远的里程碑

在探讨相关挑战之前，明确让火星变得宜居之路上的主要里程碑会有所帮助。这一过程包含五个关键阶段。

第一个是如今的火星：极其寒冷，大气层非常稀薄，其表面条件需要人类依靠大量生命支持才能生存。

第二阶段将在大气压力至少暂时上升到水的三相点以上时达到，水的三相点约为0°C（32°F）时的6.1毫巴。在这个压力和温度下，水可以同时以固体、液体和气体的形式稳定平衡存在。

下一个里程碑是创建衬衫袖温室环境，在这种环境中，大规模农业可以在地方或区域范围内开展。这可能需要依靠巨大的温室。火星实际上非常适合这种方法，因为内部较高的气压（约100毫巴）有助于支撑结构抵御外部低得多的气压。这种策略被称为半地球化。如果扩展到整个星球，它将有效地创造一个世界屋。

随着大气压力持续增加，火星最终可能达到62.7毫巴的全球表面压力。在这个水平下，人类血液将不再在体温37°C（98.6°F）时在火星表面沸腾。这样的条件将是任何真正的地球化改造努力的重要要求。

最后阶段将是一个完全可呼吸的大气，包含大量的氮成分，以及在约500毫巴的总气压中约210毫巴的氧气。实现这一点还需要远高于火星目前温度的温度。

大气需要巨大的质量

虽然对于像改造行星这样宏大的项目来说，这些目标看起来可能合情合理，但当谈到每个里程碑的实际含义时，其规模真的会让人不寒而栗。例如，要达到仅仅1毫巴的气压，我们就需要添加3.89×10¹⁵千克的气体。

这几乎相当于火星较小卫星火卫二的全部质量。要将其扩大到完整的可呼吸大气层，大约需要10^18千克的物质，比如土星的不规则卫星雅努斯。公平地说，对于那些乐观主义者而言，太阳系中预计存在数百个这种大小的天体，因此，为了给八大行星中的某一颗提供大气层，牺牲其中一个或许是值得的。

但压力只是问题的一部分，温度是另一部分。我们需要将火星的平均温度提高60摄氏度，才能达到全球稳定的水融化温度。有几种方法可以实现这一点，从向大气中注入吸收短波的纳米颗粒到释放大量二氧化碳。一些工程师建议添加大型镜子来将阳光集中到这颗红色星球上，但图里舍夫博士的计算显示，这需要大约7000万平方公里的镜子——远远超出我们目前的工业能力。

为了创造一个能呼吸且血液不会沸腾的大气环境，我们需要制造8.2×10¹⁷千克的氧气——最简单的方法是从水中分解氧气。这需要略多一些的水，因为水分解成氧气的过程中，部分质量会以氢气的形式流失。这些水量相当于火星表面每平方米对应6立方米的水。

再给乐观主义者一点希望——实际上火星表面有足够的水来实现这一点，甚至能形成留存下来的海洋和湖泊。事实上，形成大气层所需的全部水量仅约为火星上已知且易获取的表面冰的20%。因此，一些更极端的地球化改造方案，比如为了形成海洋、湖泊和富氧大气层而向火星表面撞击多个含水彗星，可能是不必要的。但这或许比其他方案更容易。

能源是真正的障碍

能源确实是这个过程的真正瓶颈。为了转化大气所需的氧气量，我们至少需要1.2×10²⁵焦耳的能量。即使分摊到1000年，这也需要持续输出380太瓦的功率——几乎是目前全球每年能源消耗量的20倍。

现实地说，我们无法回避所需的能量总量——以我们当前的文明水平，生产这些能量超出了我们的能力范围。但这对我们的后代来说可能并非遥不可及，同时我们可以开始着手准备。最简单的方法是达成第二个里程碑，建立内部生活条件稳定的小型温室。任何读过金斯坦利罗宾逊《火星三部曲》的人都会熟悉这个概念，虽然他显然在实现其愿景所需的时间和能量计算上有误，但这颗红色星球作为未来太空探索者的目的地仍然极具吸引力。如果他们决定要让火星变得和地球相似，这可能需要一段时间。

参考文献：SlavaG.Turyshev所著《质量、强制力与工业吞吐量约束》，2026年5月28日，APS开放科学，DOI：10.1103krb8h3v3

改编自最初发表于《今日宇宙》的一篇文章。

相关知识

火星是太阳系中离太阳第四近的行星，属于类地行星，因表面覆盖氧化铁呈现红色，被称为红色星球。它有稀薄的二氧化碳为主的大气，昼夜温差极大。火星上有太阳系最高的山奥林匹斯山和最长的峡谷水手峡谷，是人类深空探索的重要目标，多个探测器已成功着陆开展科学研究。

BY: Andy Tomaswick , Universe Today

FY: AI

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