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将金星变成第二个地球

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把金星改造成第二个地球

金星通常被称为地球的“姐妹行星”,事实上也的确如此。除了大小非常相似,金星和地球的质量和元素组成也很相似(都是类地行星)。金星是地球的邻居,它也位于太阳的宜居带。当然,金星和地球的区别是它不适宜居住的关键。

首先,金星的大气密度是地球的90倍,平均表面温度高到足以熔化铅,而金星上的空气是由二氧化碳和硫酸组成的有毒烟雾。因此,人类要想在金星上生存,首先必须对其进行剧烈的生态改变。因为和地球有很多相似之处,很多科学家都把它作为改造的首选,支持率甚至超过了火星!

在过去的一个世纪里,金星变换的概念其实已经出现过很多次,不仅是科幻小说的题材,也是学术研究的对象。诚然,在20世纪初,金星的转变被认为是一种纯粹的幻想,但当太空时代到来时,情况发生了变化。在我们对金星的了解不断加深的同时,我们也意识到确实有必要改造其他星球,使之更适合人类居住。

金星被视为地球改造的首选。图片来源:NASA/JPL/io9.com

科幻小说中的例子

自20世纪初以来,科幻小说一直在探索金星生态转型的主题。公认最早的作品是1930年奥拉夫斯台普顿出版的《最后一个和第一个人》(Last And First Men),其中有两章是用来描述地球变得不适合居住后,人类后裔如何改造金星的;在这个过程中,金星上的本地水生生物灭绝了。

上世纪五六十年代,正当太空时代即将来临之际,外星人变身开始越来越多地出现在科幻小说中。保罗保罗安德森在20世纪50年代也写了许多关于外星人转变的故事。在他1954年出版的《大雨》(The Big Rain)一书中,人类利用各种行星工程技术,花了很长时间改造金星。这本书的影响力如此之大,以至于“大雨”一词从此成为金星蜕变的代名词。

1991年,作家大卫诺德利在他的短篇小说《金星之雪》(《金星的雪》)中提出了一个大胆的想法:利用质量加速器(与电磁炮原理相同的加速装置)驱散金星的大气层,从而加快其自转速度,使金星上一天的长度达到30个地球日。作家金斯坦利罗宾逊因其在火星三部曲(《红火星》(红色火星)、《绿火星》(绿色火星)和《蓝火星》(蓝色火星))中对外星人转变的写实描绘而闻名。

2012年,他出版了这个系列的最新作品《2312》。这本书描述了包括金星在内的整个太阳系的殖民化。小说还讨论了几种改造金星的方法,从全球降温到碳封存,这些方法都是基于学术研究和科学家提出的各种想法。

在艺术家的想象中,改造后的金星表面大部分被海洋覆盖。图片:维基共享/Ittiz

转换方案

改造金星的第一个计划是卡尔萨根在1961年提出的。在一篇题为《金星》(金星)的论文中,他提出了一种利用转基因细菌将金星大气中的二氧化碳转化为有机分子的方法。但是后来发现金星的云层中存在硫酸。这个事实,加上太阳风的影响,使得这个方案不可行。

英国科学家保罗伯奇在他1991年的研究《快速改造金星》(快速地球化金星)中提出,氢可以用来引爆金星的大气层。爆炸引起的化学反应会生成石墨和水,后者会降落在行星表面,形成覆盖约80%行星表面的海洋。但是需要如此多的氢,以至于我们不得不直接从气态巨行星或其卫星的冰层中收集。

该方案还将向大气中喷洒铁的气溶胶粒子,这些粒子可以从许多来源获得(如月球、小行星和水星)。剩余的大气估计有3巴(地球的3倍)的压力,其主要成分是氮气,其中一部分会溶解到新生的海洋中,这将进一步降低大气压力。

另一个想法是用精炼的镁和钙轰击金星,这可以将碳元素以碳酸钙和碳酸镁的形式密封起来。科罗拉多大学博尔德分校的马克布洛克和大卫h格林斯蓬在1996年发表了一篇题为《金星气候的稳定性》(金星上气候的稳定性)的论文。他们指出,金星本身存在的氧化镁和氧化钙沉积物是可以利用的。通过开采沉积物,这些矿物质将暴露在地球表面,吸收二氧化碳,充当碳汇。

然而,布洛克和格林斯庞也指出,当地矿物的冷却作用非常有限。3354只能降到400K左右(126.85),大气压只能降到43 bar左右。因此,为了获得冷却金星所需的810^20公斤钙或510^20公斤镁,就必须从其他地方补充一部分。最有可能的方法是从小行星上开采镁和钙。

人们还讨论过太阳伞的概念,即利用一组小型宇宙飞船来遮挡行星表面的太阳光,或者利用巨型反射器将太阳光直接反射回太空,从而达到降低表面温度的整体效果。由于金星吸收的光线是地球的两倍,科学家认为过量的太阳辐射是诱发失控的温室效应并导致金星变成现在这个样子的主要因素。

金星的遮阳伞可以竖立在太空中,位于太阳和金星之间的拉格朗日点L1,以遮挡一些阳光。而且防护罩还可以屏蔽太阳风,可以有效降低金星表面的辐射剂量(辐射剂量也是可居住性的关键因素)。

另一种选择是太阳反射器,它可以竖立在大气中或放置在金星表面。反射器可以由大型反射气球阵列或碳纳米管或石墨烯片组成。前一种方案有两个优点:第一,利用金星丰富的碳资源,可以在金星上制作大气镜。第二,金星的大气密度大到足以让镜子等大型结构轻松悬浮在云层之上。

——部分艺术家想象的金星云城市来自NASA的高空金星运行概念计划。图片:先进概念实验室//NASA兰利研究中心

美国宇航局的科学家杰弗里a兰迪斯(Geoffrey A. Landis)也提出了在金星的云层上建造房屋的想法,这些房屋反过来可以作为遮阳棚和治疗站。他们还可以为殖民者提供最早的住所,他们还可以充当转换器。他们会逐渐让金星的大气层适合人类居住,这样殖民者就可以搬到地面上。

人们甚至想到了改变金星自转速度的方法。金星每243天自转一周,是太阳系行星中自转周期最长的。这导致金星上的昼夜极其漫长,地球上大多数已知的植物和动物都无法适应这样的极端条件。不仅如此,自转过慢还可能导致金星磁场强度过低。

为了解决这个问题,英国星际协会成员保罗伯奇(Paul Birch)提出在金星和太阳之间的拉格朗日点L1建立一套轨道太阳镜系统。与极地轨道上的太阳镜结合,可以在金星表面形成24小时的光照周期。

或者我们可以从加快金星自转速度入手,比如用天体撞击金星表面,或者近距离飞过直径大于96.5公里的天体。也有人提出用质量加速器或动态压缩装置(利用磁场加速质量流的装置)来产生加速金星自转所需的力,最终使其日循环与地球相同。

另一个可能的解决方案是去除金星的部分大气,这可以通过多种方式实现。比如让一个天体撞击金星表面,可以把一部分大气层吹到外太空。其他方法包括太空电梯和质量加速器(理想情况下放置在气球或云层上方的平台上),这些方法可以逐渐收集大气中的气体,并将其送入太空。

李铎多铎

殖民金星并将其气候转变为适合人类居住的主要原因之一是为人类创造一个“后备基地”。考虑到——火星、月球、外太阳系的可选范围,金星有几个其他地方没有的优势。这就是为什么金星经常被称为地球的“姊妹星”。

首先,金星是一颗与地球大小、质量、成分相似的类地行星。所以金星的引力和地球的引力接近,大约是地球的90%(准确的说是0.904 g)。因此,金星上的人类不太可能因为长期生活在失重和微重力状态下而导致骨质疏松、肌肉衰退等健康问题。

由于距离地球相对较近,我们比太阳系的其他地方更容易与金星进行运输和通信。在现有的推进系统下,从地球到金星的发射窗口将每584天出现一次,而火星的窗口期为780天。因为金星也是离地球最近的行星,所以在金星着陆需要的飞行时间更短。它距离地球只有40万公里,而火星却有55万公里。

另一个原因与金星失控的温室效应有关。失控的温室效应导致星球极热,大气层浓厚。在金星上测试许多生态工程技术的过程中,我们的科学家可以更好地了解这些技术的效果。这些信息将帮助我们对抗全球气候变化。

未来十年,这场斗争很可能会变得更加激烈。根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)2015年3月的报告,大气中的二氧化碳水平现在已经超过400ppm,这是自上新世以来从未见过的,当时的温度和海平面比现在高得多。根据美国宇航局计算机模拟的一系列可能的场景,这种趋势很可能会持续到2100年,这将带来严重的后果。

在一种情况下,到本世纪末,二氧化碳排放量将稳定在550 ppm左右,导致全球气温上升2.5。在第二种情况下,二氧化碳排放量将上升至800 ppm,导致平均气温上升4.5。第一张图中预测的气温上升是可以忍受的,但在第二张图中,地球上很多地方的人们的生活无法持续。

因此,除了为人类创造第二个栖息地,金星改造也将有助于确保地球仍然是我们舒适的家园。当然,金星是类地行星,意味着它有丰富的自然资源供我们开采,这也将有助于人类实现“后稀缺”经济。

艰巨的挑战

金星虽然和地球相似(即体积、质量、成分相似),但也有很多不同之处,会给改造和移民带来严峻的挑战。例如,需要大量的能量和资源来冷却金星的大气层。还需要花费高昂的代价来建设原本没有的基础设施。

例如,为了将金星大气层的温度降低到足以遏制失控的温室效应的水平,我们需要大量的金属和先进的材料来建造一个足够大的轨道遮阳罩。如果这样一个结构被放置在拉格朗日点L1,它的直径需要是金星本身的四倍。而且需要一个庞大的组装机器人团队来完成天棚在外太空的组装。

相比之下,提高金星的自转速度需要巨大的能量,更不用说还需要从外太阳系带来那么多撞击物体——主要是柯伊伯带。在所有这些想法中,足够大的太空舰队是必要的,我们不得不依靠它们来运输必要的原材料,它们还需要先进的动力系统来确保它们能够在可接受的时间内完成任务。

目前还没有能满足这一要求的动力系统。传统的推进模式——,从离子发动机或化学推进剂来说,既不能提供足够快的速度,也不够经济便宜。看看这个例子,你可以看到美国宇航局的“新视野号”花了超过11年的时间在柯伊伯带与冥王星相遇,使用的是重力辅助的传统火箭推进。

同时,在离子推进完成的“黎明”号任务中,从地球到小行星带灶神星的旅程用了近4年时间。但是,无论采用哪种推进方式,都不可能多次实现将冰冻彗星和小行星从柯伊伯带拉回的任务。况且,我们要打造出所需的大型舰队,还是一个遥远的梦想。

在云上架设镜子的计划也面临着资源匮乏(或者太难获得)的问题。我们不仅需要大量的材料,还需要确保这些材料在大气层转化后能够长时间保持在原来的位置,因为金星表面现在已经完全被云层覆盖。考虑到金星的云层已经具有很高的反射率,我们采取的任何措施都必须大幅提高反射率(大幅超越现有的0.65)才能有效。

如果你想驱散金星的大气,你会发现更难。1994年,詹姆斯波拉克(James B. Pollack)和卡尔萨根(carl sagan)通过计算证明,高速撞击直径700公里的金星,只能去除不到千分之一的大气。更重要的是,随着金星密度的降低,每次碰撞清除的气团也会减少,这意味着我们需要成千上万的巨型撞击体。

此外,大部分被驱散的大气气体将进入金星附近的太阳轨道,如果没有进一步的干扰,它们将在金星引力的拉动下回到大气层的怀抱。用太空电梯去除大气层也是非常困难的,因为金星的同步轨道距离行星表面太远,用质量加速器将气体运送到这样的高度是极其耗时和昂贵的。

综上所述,改造金星的潜在好处非常明显。人类将获得第二个家,我们将能够利用它的资源,我们还可以学习有价值的技术来应对地球的灾难性变化。然而,为了真正获得这些好处,我们不得不面对一系列的困难和挑战。

在执行任何地球改造任务之前,对于很多障碍都要提前做足功课。这些困难中最突出的是运输和后勤,包括动员大量工作机器人,为收集必要材料的航天器提供适当的动力。此外,人类需要跨代达成共识,并确保不间断的财政资源,以最终完成这一使命。即使在最理想的条件下,这也不是一件容易的事情。

总之,这是人类在短时间内永远无法完成的工作。但展望未来,把金星变成我们的“姐妹星球”3354在各方面,包括海洋、耕地、野生动物、城市,应该是一个美好可行的目标。唯一的问题是,我们要等多久?

作者马特威廉姆斯

翻译乔红

修订韩晶晶

请首先联系newmedia@huanqiukexue.com。

2016年4月刊055-79000已上市。点击文末阅读原文,可在微店购买。

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作者: 贸易看时间

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