火星有什麼適合移民的特點?
這是因為時代的侷限性。我們現在知道火星沒有任何適合移民的特點,還有一些不適合地球型碳基生命的特點,但大部分關於移民外星球的科幻小說是在知道這些之前創作的,不能奢求作者掌握超越時代的知識。
19世紀,一些天文學家和天文愛好者用現在看來很是簡陋的望遠鏡觀察火星,發現火星上有一些疑似地形的條紋、明暗變化、顏色變化,引起一些人幻想火星上有季節、植被、城市乃至運河。這催生出一批關於火星智能生命的作品,尤其是威爾斯的名作《世界之戰》,在廣泛的讀者羣體裏形成了火星能夠支持高等生命存活的印象。從這些讀者中成長起來的新一代作家寫了更多的這種故事,將火星可以居住變成了刻板印象。在科幻作品裡,火星殖民地的總人口經常突破百萬。
現實不是人們的美好願望裏那個樣子。火星的環境對地球生物是致命的,將它改造得像地球需要至少一千年時間和天文數字的投入(後詳),在近未來無需考慮。在本世紀,火星上種植的農作物需要被溫室完全覆蓋以隔絕火星的低溫和低氣壓、使用處理過的土壤或水培(火星土壤不能直接支持植物生長)。SpaceX的計劃是40~100年內達到讓一百萬人自給自足的水平——這很難兌現。
火星地表的重力大約是地球的37.5%,長期生活在這樣的低重力環境會造成不可抵禦的傷害,還可能破壞人的生殖能力。火星地表強烈的輻射對人是致死性的。生活在火星地下或建設具有輻射屏蔽作用的厚重基地可以減緩輻射的損害,但隨著在火星上生活的時間延長,癌症發病率將出現幾何級數上升。
人類是否可以在火星上完成繁衍目前是一個開放性問題。火星的強輻射對人類胚胎沒有任何好處。雖然精子可以運動,但由於低重力,發育中的胚胎在子宮裡的位置將偏高,可能對孕婦的橫膈膜產生壓迫、引發呼吸困難。低重力環境也可導致妊娠階段異常,出現大量早產。
在可預見的未來,所謂火星基地裏的人們不得不一直生活在採用人工光源的地下設施或厚重掩體裏,整月不見天日,最大限度控制外出時間。長期生活在封閉環境將導致其它健康問題:精神沮喪,視力減退,高血壓,缺乏外界刺激引起的反應遲鈍和注意力渙散。
此外,火星基地和空間站一樣缺乏微生物多樣性,對維持人體微生物菌落平衡也有害。
火星軌道上的太陽輻射強度約為591~594瓦每平方米,約為地球軌道上的43.3%。由於火星軌道偏心率比地球大(達0.09),接收的太陽輻射強度隨時間變化幅度較大,加之衛星與著陸器受運行軌道、火星大氣、火星自轉等影響,能利用的太陽輻射要比這少。根據NASA實測,火星同步衛星隨火星繞太陽一週的時間內,在其軌道上接收的平均輻射強度約為311瓦每平方米(包括斜對太陽導致的強度減弱和被火星遮擋)。對於降落在火星赤道上的著陸器,由於晝夜變化和火星時常有沙塵暴等天氣影響,每個火星年接收的平均輻射強度只有同步軌道上的約六分之一,你當做52瓦每平方米就可以了:這微弱的光照就是人類在火星上的主要能源了(火星大氣稀薄,風能效率更低)。
根據NASA估計,在火星赤道上居住時,每個人需要約64平方米的效率為28%的太陽能板提供的電能,才能過跟地球上相似的生活(人均年耗能8000千瓦時)。這還只是為小規模科考行動做的打算。談在火星大規模居住(特別是在火星地下居住),一百萬人需要的64平方千米太陽能電池板只是毛毛雨,農業那壓倒性的使用面積與能耗會成為嚴重問題。
在維持生命所需的能量方面,一個人純素食的話每天要服食約3千克穀物和蔬菜,生產肉類來食用的能量效率是直接喫植物的十分之一。因此,100萬人的居住區平均每天要生產出至少3000噸穀物和蔬菜,每26個月約238萬噸[1]。這麼多食物是無法期待從地球上運輸的,只能在火星上種植。
在地球上,一個人純素食需要的最低耕地面積為600平方米,想喫到肉類或蛋類就需要更多的耕地面積,目前全球人均耕地面積為3200平方米,中國人均耕地面積為867平方米。而火星的光照情況遠遜於地球——你可以想像接下來會是什麼情況了。
地球植物光合作用的理論效率極限是百分之十三,實際上只有百分之一程度[2]。植物身上又只有一小部分可以給人作為食物,例如一棵玉米或小麥身上人可以喫的部分只有約百分之一,這樣植物性食物的效率是萬分之一。
一個人躺在牀上睡大覺,新陳代謝的平均功率約為67~87瓦。過正常生活的人,新陳代謝的平均功率約為120瓦。一百萬人正常生活的新陳代謝功率約為1.2E8瓦,按照萬分之一的農業生產效率,對一百萬人來說農業的最低能量輸入是1.2E12瓦。對於平均光照效率是52瓦每平方米的火星赤道來說,即使農業技術保證植物在每個白天儘可能地接收太陽照射、收割速度極快且全無浪費,一百萬人需要的最低限度的溫室總面積也會達到23077平方千米——這個溫室總面積,已經超越了在地球上中國大陸現有的溫室設施總面積!
光是建設和維持這樣巨大的溫室羣,就已經不是40年裏能做的事情了——連建設它的錢都不知道從哪裡來。但這還不算完。在這麼巨大的耕地面前,一百萬人撅著屁股耕作是沒用的(何況那還增加他們的能耗),需要大機器整地、播種、管理、收割,需要化肥,需要運輸系統。要知道,人類文明在地球上2%程度的能耗是用來生產氨水作為化肥的合成材料了。
也有好消息:這麼多植物進行光合作用產生的氧氣給一百萬人使用是綽綽有餘的(它們足夠支持1667萬人呼吸),多出來的氧氣可以往火星大氣裏排放。
關於改造火星的困難與低價值,以下截圖引自《巫師、外星人和星艦》: