根据现有研究，除了地球之外，火星是太阳系中最适合居住的行星。但首先由于火星的表面太过于寒冷，导致水无法维持在液态，而液态水通常被认为是已知生命可以生存的先决条件；另外，由于火星的大气太过于单薄，无法抵御紫外线，会对生命构成威胁。人类要想能够在火星生存下来，还是一件非常困难的事。
20世纪70年代由美国宇航局的维京任务从轨道上看到的火星。（图片来源：NASA / JPL）
卡尔·萨根在1971年的一篇论文中，就第一个提出了将火星变成地球，或者将火星变成一个适宜人类居住的地方的可行设想。他指出，在火星的北极，夏季残余的霜冻厚度约为1公里，如果它们全部蒸发掉，那么释放到大气中的水蒸气和二氧化碳就可能会产生温室效应，将火星表面的温度升高到液态水足以存在的程度。
一些研究人员和未来学家受到萨根的启发，他们开始认真思考星球改造的想法。其关键的问题是：火星上是否拥有足够的温室气体和水，可以将火星的大气压强提高到与地球相当的水平？然而，2018年，一队美国宇航局资助的科罗拉多大学，博尔德分校和北亚利桑那大学的研究人员在《自然天文》期刊上发表了一项研究，结果发现，即便将火星上所有可用的资源都进行处理，也只能将火星的大气压强提高到地球水平的7%左右，这远远低于适宜人类居住所需要的压力。
现在，来自哈佛大学、NASA喷气推进实验室和爱丁堡大学的研究人员有了一个新的思路：与其试图一次性改变整个火星，是否有可能先对火星进行小范围的改造。论文的第一作者罗宾 沃兹沃思表示，他们想要思考的是在十年的时间尺度上能实现的东西，而不是在未来几个世纪才能实现，或者可能永远无法实现的东西。火星是地球以外太阳系中最适宜居住的行星。一个用于创建可居住小岛屿的系统将使我们能够以受控和可扩展的方式改造火星。与以前使火星适合居住的想法不同，这是可以用我们已经拥有的材料和技术系统地开发和测试的东西。
研究人员认为，火星表面的某些区域可以通过利用一种名为二氧化硅气凝胶的物质而变得宜居，这种物质可以模仿地球大气中的温室效应。通过建模和实验，研究人员发现厚度为2~3厘米的二氧化硅气凝胶就可以做到隔绝有害的紫外线辐射，让足够的可见光穿透使光合作用得以进行，以及在无需任何内部热源的情况下，将二氧化硅气凝胶之下的温度永久地提高的水的熔点以上。
这种想法实际上是受到了一种火星上的现象的启发。火星上的冰盖是由水冰和冻结的二氧化碳结合而成的，这与地球上由水冰构成的冰盖是不一样的。与气态的二氧化碳一样，冻结的二氧化碳在让阳光穿透时也会将热量困住。在夏天，这种固态的温室效应会在冰层下导致小范围的升温。研究人员开始考虑这种固态的温室效应，并思考如何能利用它来创造未来火星上的宜居环境，开始思考什么样的材料可以将导热系数降到最低，同时又能传输尽可能多的光。
通过模拟火星表面的模型和实验，研究人员证明，用一层薄薄的二氧化硅气凝胶就可以使火星中纬度地区的平均温度上升到等同于地球的水平。二氧化硅气凝胶是已创造出的最绝缘的材料之一。二氧化硅气凝胶具有97％的多孔性，意味着光穿过材料但是二氧化硅红外辐射的互连纳米层并且极大地减缓了热传导。二氧化硅气凝胶是一种很有前途的材料，因为它的效果是被动的，它不需要大量的能源或维护运动部件，以保持区域长时间保持温暖。
他们表示，分布在一个足够大的区域，不需要任何其他技术或物理，只需要在表面上有一层这样的东西，就会有永久的液态水。这些气凝胶目前用于多种工程应用，包括美国宇航局的火星探测流浪者。
这种材料可以用来在火星上建造可居住圆顶，甚至有可能建造出自给自足的生物圈。由此或许会产生一系列非常有趣的工程学问题。接下来，研究小组的目标是在地球上，在类似火星气候的条件下对这种材料进行测试，比如在南极洲或智利的干谷。这种区域性的将火星变得宜居的方法比全球性的大气改造更易实现。与之前将火星改造得宜居的想法不同，这是一种可以用我们已有的材料和技术进行系统性地开发和测试的东西。
一位工程师建议在一个小行星上建造一个屋顶，以使它保持和地球相似的环境。（图片：Karl Tate, Infographics Artist）
当然，研究人员也指出，任何与将火星改造得适合人类和地球生命居住有关的讨论，都会衍生出重要的与行星保护相关的哲学和伦理问题。比如如果我们想要在火星表面生存，那么我们是否可以确定那里有没有已经存在的生命？如果有，我们如何应对那些生命？一旦我们决定让人类登上火星，这些就都将成为不可避免的问题。
原创稿件
制作：西南交通大学 曾子芹
审校：魏潇 中山大学神经科学博士/中国科学院心理学研究所 博士后研究员
参考来源：
[1] Sagan C . The long winter model of Martian biology: A speculation[J]. Icarus, 1971, 15(3):511-514.
[2] R. Wordsworth, L. Kerber & C. Cockell. Enabling Martian habitability with silica aerogel via the solid-state greenhouse effect. Nature Astronomy, 2019 DOI: 10.1038/s41550-019-0813-0
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