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人类移民火星?|星星背后的物理(第十九弹)

知识分子  · 公众号  · 科学  · 2016-12-22 06:56

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所以,这种担忧并不完全是杞人忧天,地球的确面临着各种可能的灾难。由此,物理学家霍金说: “人类不应该将所有的鸡蛋都放在一个篮子里,或一个星球上。希望我们可以将篮子容量扩大后再将其扔掉。”既然人类现在已经有了一定的太空知识和航天能力,理所当然地应该考察一下移民地外星球的可能性。



寻找第二家园



哪些天体被人类考虑作为移民地的对象?


太阳系之外的星球距离我们太远了,一下子去不了,人类发射的航天器中迄今为止飞得最远的旅行者1号才刚刚离开太阳系。所以,我们暂时只能首先考虑太阳系内的天体。月亮离地球最近,当然位列第一,此外,离地球最近的行星是金星和火星,还有太阳系中行星的一些卫星,如土卫6、凯伦等。


要寻找适合人类生存的天体,有哪些要点需要考虑?一是距离太阳的距离,二是天体表面的温度,三是大气层的成分,比如其中有无氧气。大气层决定了星体表面的气候。此外,还有一个颇为重要的因素,星体上有没有水?


事实上,根据最新天文探索的结果,太阳系中存在“水”的星球还是不少的。比如不久前NASA的航天器在水星和月球阴影下环形山的坑内均发现了水冰存在的迹象。但是,像地球这样在表面存在大量液态水的星球却不多。地球圈以内的行星离日太近,在太阳这个大火球的焚烧下,即使曾经有过水,也被逐渐蒸发掉了,比如离太阳最近的水星,它朝向太阳的一面,温度达到400℃以上,锡、铅等金属都会熔化,水则变成了水蒸气,水星的体积很小,只和月亮相当,没有足够的引力将水蒸气聚集周围,大部分水蒸气都散发到宇宙中去了。而水星背向太阳的一面,长期不见阳光,温度在-173℃以下,所以也不太可能有液态的水。


离太阳第二远的是金星。金星的结构和大小比较接近地球,因此有人称金星是地球的孪生姐妹,但实际上两个星球只是“貌合神离”的姐妹,因为它们的环境相差很大。金星表面温度很高 (470℃左右) ,大气压力是地球的90倍,即使有少量液态水,也不会是一个适合人类生存的地方。


比地球离太阳更远的行星中,木星和土星是气态巨行星,更远的天王星海王星是冰巨行星,显然都不适合居住。这些行星的几个卫星,如木卫三、木卫二、木卫四、土卫二、土卫六,以及几个小行星 (比如谷神星) ,倒有可能存在冰下海洋等可居住条件,但还有待进一步的考察和探索。


说实话,地球虽然不是像“地心说”所宣称的宇宙中心,只是茫茫宇宙中的一颗“小尘埃”,但这个天体却有它得天独厚之处。地球是一颗距离太阳不远不近,大小和质量都恰到好处的星球,就它离日的距离而言,可算是太阳系中唯一处于“可居住地带”的行星。而地球的质量大小使得它刚好能保存合适的大气层和大面积的海洋。


如果地球质量太小,所有气态 (或液态) 物质都会飞离,只剩下坑坑洼洼的固态表面,类似月球。质量太大也不行,大气层会太厚且充满各种无用有害的气体,现在的地球质量,恰好能吸引住大气层中如氦气、氧气和二氧化碳这类较重的气体,并与液态水海洋形成重要而必须的生化循环,促进生命繁衍,滋润万物生长。


基于上述种种因素,人类将“殖民星球”的目标首先指向与地球最相似的火星。


那么,为什么我们不首先考虑移民到月球上去呢?月球的优势是离地球最近,能够最快到达,但它毕竟是一颗依赖于地球的卫星。月亮与地球的命运息息相关,当地球发生灾难的时候,月亮恐怕也难以生存。再则,月球的质量太小,靠它自身的引力不足以拥有大气层和足够的自给自足的水分及其它资源。要想在月亮上生活,几乎所需要的一切都必须从地球上供给。因此,月球顶多只能作为一个“中转站”或“基地”,而不是殖民的目标。


比较起来,还是火星的环境与地球比较接近。我们用数字来说明问题。


火星是地球的弟弟,它的直径只约为地球的一半,见图1a,自转周期为24小时37分,只比地球的多一点点。因此,1个火星日只比1个地球日长41分19秒。当然,火星和地球的公转周期是不一样的,行星绕太阳的周期T与它离太阳的距离a有关系 (T2正比于a3) ,因为转动的离心力需要与引力相平衡。


火星离太阳大约是日地距离的1.5倍,可得1火星年 (公转周期) 约等于1.88地球年。火星的自转轴相对于公转轨道平面的傾斜角度约为25.19度,也与地球的相当。自转轴倾角决定了一年中4季的变化,使得火星有着类似地球的四季交替,但是,由于火星绕太阳公转周期是地球的1.88倍,所以火星上4季的每一个季度,长度都大约为地球一季的1.88倍。地球人活了将近2岁,火星人活了1岁。


图1:火星是太阳系中与地球最类似的星系


另外,火星的公转轨道偏心率为0.093,比地球的0.017大很多。也就是说,火星轨道是一个更扁的椭圆,近日点和远日点相差更大,这使得一年四季中各季节的长度不一致。自转轴倾角和轨道离心率的长期变化比地球的大很多,由此而造成了气候的长期变迁,火星表面的平均温度比地球低30摄氏度以上 (人类移民过去要准备挨冻了!)







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