摘要

人類不可能永遠只在一個星球居??！隨著太空科學的發(fā)展和人類發(fā)展的需要，外星殖民正成為越來越熱門的探討課題。

相對而言，以人類現(xiàn)有的科技水平，太陽系內(nèi)是現(xiàn)在外星殖民一個可以值得實現(xiàn)的設想?；鹦且云渚邆湎”〉拇髿鈱?，表面狀況和豐富的水資源，距離地球較近以及比月球更接近地球的重力被許多科學家（包括史蒂芬·霍金）認為是一個殖民的理想行星。埃隆?馬斯克（ElonMusk）成立的SpaceX公司也將殖民火星作為目標之一。

本文的研究旨在從火星的地形，自然災害，氣候，資源等生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境要素等方面提出了火星人類居住地的可行性分析，并給出了可能的火星最佳移民居住區(qū)域的選址。

第一章：背景研究

本文基于已有的關于火星的探索和研究成果，進行了更深入的分析。結合已有的火星環(huán)境研究，整體分析各個環(huán)境要素對火星殖民可能的影響，結合其他的一些因素以探索可行的火星居住地方案。

1.1火星概況

從殖民火星的角度上考慮，火星和地球有很多相似點和有利于人類居住的特性[1]：

火星自轉周期與地球相近,一日的時間與地球一日的時間十分接近?；鹦堑奶柸諘r長24小時39分35.244秒。

火星的自轉軸傾角為25.19°，與地球的23.44°相近，因此火星季節(jié)與地球相似。只是火星公轉一周約為地球公轉時間的兩倍，因而火星上各季節(jié)的長度，比地球長將近一倍。又因遠日點接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各長約40天。

火星有大氣層，但非常稀薄，僅相當于地球大氣層的0.7%，因此，火星只可以抵擋部分的太陽輻射和宇宙射線。

火星上沒有穩(wěn)定的液態(tài)水資源，但是火星的探測都表明火星上有豐富的水冰。

火星橘紅色外表是因為地表被赤鐵礦（氧化鐵）覆蓋資源，有豐富的鐵礦資源。

火星的環(huán)境也有許多不利于人類居住的特性：火星地表重力只有地球重力的38%，但是比月球的16%的地球重力大得多。

火星的平均溫度在零下87°C與零下5°C之間，相較于地球要寒冷得多。

火星的軌道離心率較地球為大，造成氣溫與太陽輻射的變化較大。

火星上的大氣壓遠低于阿姆斯壯極限的61.8百帕，不足以讓人類在未配備壓力設備的狀況下生存。

火星大氣層中有95％的二氧化碳，3％的氮，1.6％的氬氣和其它氣體，包括共計小于0.4％的氧氣，火星的空氣不利于地球的植物和動物生存。

火星上的磁場極小，所以，火星干擾太陽風的能力不足。

1.2火星的地形

火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石、隕石遍布。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，常有塵暴發(fā)生。火星兩極皆有水冰與干冰組成的極冠。與地球相比，火星地質(zhì)活動較不活躍，地表地貌大部分于遠古較活躍的時期形成，有密布的隕石坑、火山與峽谷，包括主要位于中部的太陽系第二高的山：奧林帕斯山，塔爾西斯高原和最大的峽谷-水手號峽谷等?；鹦沁€有一個地形特征是南北半球的明顯差別：南方是古老、充滿隕石坑的高地，例如赫斯珀利亞高原，諾亞高地等。北方則是較年輕的平原，例如北方大平原，亞馬遜平原，阿卡迪亞平原，克里斯平原，烏托邦平原等。

1.3火星歷法

火星一個回歸年的長度為668.5907個火星日，也就是說，需要設計一套火星歷法，平常每年是668個火星日，閏年是669個火星日，并且讓歷法年的平均值接近回歸年的長度。實際上，大流士火星歷已經(jīng)設計了這個工作[3]。

火星日是根據(jù)火星自傳周期得出，一火星日比一地球日長39分鐘35.244秒，而一火星年的長度則為668.5907火星日，因此基本的設置閏年公式就是每十個火星年均約由6個669火星日的火星年及4個668火星日的火星年所組成。

大流士歷法將一個火星年分為24個月，每6個月的最初5個月的長度為28火星日，其余為27火星日（也就是6月、12月、18月為27天）。而最后一個月（24月），如果是閏年就是28個火星日，平年則為27個火星日。

這樣一來，平年長度為：20*28+27*4=668火星日，而閏年的長度為：21*28+27*3=669火星日。

第二章：火星殖民生態(tài)系統(tǒng)各項分析

2.1研究對象

根據(jù)薩洛蒂的文章“TheBareMinimumNumberofMartianSettlers?”中列出的火星殖民需要考慮的五個生存域（薩洛蒂，《科學報告》，2020年[4]），本文著重從其中的Ecosystem（生態(tài)系統(tǒng)）中所列的環(huán)境要素以及一些有關能源的方面進行分析。

2.2大氣和氣候

整體上火星的大氣成分不適合人類生存，需要改造。有利的一點是火星大氣中二氧化碳豐富，可以作為燃料的制造原材料。二氧化碳加氫氣產(chǎn)生甲烷與氧氣或者以氧化鋯的固體氧化物電解質(zhì)將二氧化碳分解為氧氣與一氧化碳。低海拔地區(qū)空氣下沉，密度升高，有助于提高將火星稀薄大氣層中的水和二氧化碳轉化為甲烷的效率，便于生產(chǎn)更多燃料。另外，火星上平均氣壓也比地球上低得多，比如地表氣壓低至奧林帕斯山頂?shù)?0帕，高至希臘平原低點的1155帕。低海拔地區(qū)氣壓比高海拔地區(qū)大很多，更適合生存并且有利于飛船使用大氣阻力減速。從這些角度出發(fā)，低海拔的平原，谷地會更有利一些。

雖然火星的氣候類似地球，包括季節(jié)和周期性的冰河期。但是火星的氣候和南極洲一樣，異常寒冷，從溫度的角度來說，定居點選取火星赤道地區(qū)更為有利，因為這里更溫暖、光照更好。并且離赤道越遠的地區(qū)，氣候變化就越大。并且我們知道，航天發(fā)射場的緯度越低，也就越能借星球自轉的速度節(jié)省發(fā)射能量。對于火星而言緯度低意味著發(fā)射低傾角航天器更容易。另外，從地球地形的特性考慮，人類生活的區(qū)域為大氣的最低層，也就是對流層，在對流層內(nèi)海拔越高，溫度就越低。從這些角度出發(fā)，赤道地區(qū)以及低緯度的低海拔地區(qū)會更有利，兩極地區(qū)不合適。

2.3地形地貌和礦物資源

火星的地質(zhì)多變。從安全的角度，飛船選取較為平坦、基本上沒有大塊的巖石;存在巨大的地下冰川;遠離火星極地冰蓋、溫度高于其它地區(qū)的地形地貌登陸的風險較低。

從勘探的考慮，最好在半徑為60英里（100公里）的區(qū)域地形較為平坦，有利于進行探索工作。

從前面火星地形分析研究可以看到，中部主要火山和峽谷較多。南方主要是古老、充滿隕石坑的高地。北方則主要是較年輕的平原。

從這個角度出發(fā)，最佳的殖民點選取最好是北方海拔底的平原地區(qū)，適合飛船降落并且易于探索。最好還靠近火山地區(qū)，因為有火山活動造成的火山灰形成的土壤及粘土礦藏，有可能可以提取有機化合物甚至玻璃?；鹦巧线€存在有豐富的鐵礦，可以提供鐵資源。

2.4水資源

火星曾經(jīng)是一個溫暖的星球，表面有水流動。有河流，火山口湖，甚至海洋。但是現(xiàn)在大部分的水都沒了，剩下的都凍住了。有些在兩極，但大部分在地表以下，已經(jīng)存在了很長時間。

火星殖民水是主要的資源，它的位置將是決定性因素。水不僅是生存和生活所需，而且是前面所說制造燃料所需要的氫的最佳來源。水甚至還可以用于農(nóng)業(yè)，用以建立火星生態(tài)圈。我們不可能將水從地球上帶到火星，這是一項非常耗費人力物力的挑戰(zhàn)，所以在原地找到水將是關鍵。因此火星定居點必須靠近火星水源附近。

液態(tài)水在火星表面幾乎不存在。火星的水大多鎖在永久凍土和極冠等冰凍圈（Cryosphere）。火星的南北兩極一度引起了科學家的極大興趣，火星奧德賽號發(fā)現(xiàn)，火星兩極藏有的水資源最為豐富。不過，科學家也發(fā)現(xiàn)緯度較低的地區(qū)也有水資源。所以，兩極的吸引性有所下降。另外的研究發(fā)現(xiàn)火星上可能的出水點分布在懸崖邊緣，一些可能是由水帶來的礦物沉積物也分布在懸崖的底部。

如下圖奧德賽號探測的水資源所示，奧德賽號的伽馬光譜儀測量的火星全球超熱中子量分布。因為超熱中子被氫原子慢化的效率最高，所以觀測到的超熱中子量越低就代表氫的富集度（水冰含量）越高。選取地圖上藍色區(qū)域為火星殖民點最為有利。

2.5生存需求

除了大氣和水之外，食物和能源以及抵抗自然災害等方面也是生存所需考慮的問題。

火星環(huán)境很難適應大部分動物和植物，只有部分微生物和地衣可能生存。從食物和氣候的改造，都需要建立火星生態(tài)圈。從這方面來說，需要有植物能夠生存的合適的土壤和水。從這方面考慮，最好是有豐富水資源的低海拔平原地區(qū)，并且有合適的土壤。這樣的話，北方靠近火山區(qū)的平原地區(qū)是比較好的選擇。

能源方面，赤道地區(qū)光照更好，有助于太陽能發(fā)電，并且可能藏有地熱能源。低海拔有水資源的地區(qū)可以利用二氧化碳加氫氣產(chǎn)生甲烷與氧氣，生成燃料能源。

火星也沒有濃厚的大氣層。因此，火星會接收到大量的游離輻射，在地下建筑生存空間會減少人類吸收輻射?；鹦堑乇碛性S多熔巖管入口，并且科學家在山脈區(qū)域發(fā)現(xiàn)了天然洞穴，這些可以作為現(xiàn)成的建造建筑，以保護居住的人類免受輻射傷害，所以選擇的平原地區(qū)最好靠近山脈邊緣。

第三章：綜合分析與結論

3.1綜合分析

綜合評價，火星各區(qū)域適合殖民的優(yōu)缺點如下：

從表1可以看出，比較好的結果應該是選取低海拔較低緯度的北部平原地區(qū)，并且最好存在豐富的水資源，并接近火山及山脈區(qū)域。

3.2結論

比對上面的“圖二火星地形圖”和“圖五火星水資源分布圖”，我們可以看到克里斯平原（ChrysePlanitia）或許是我們的最優(yōu)選擇?？死锼蛊皆挥诨鹦潜卑肭颍栁魉够鹕礁咴吘壙拷嗟赖膱A形平原，中心位于26.7°N320.0°E，直徑約1600公里，低于火星大地水準面約2.5公里，這里是火星表面地勢最低的幾處。這些都符合我們所需要的低緯度低海拔，平原靠近山脈區(qū)的地形特征。

克里斯平原有古代火星河流侵蝕的地表特征。其位于水手號峽谷等許多發(fā)源自南方隕擊高原的末端。因此一般認為水流將流入此處。西南側，從塔爾西斯高原往克里斯平原的地形是一路下降。卡塞谷、邁亞谷和納內(nèi)迪谷是從塔爾西斯高原往克里斯平原。克里斯平原的東側地勢則是逐漸變高。阿瑞斯谷就是從克里斯平原東側的高原流入。提爾谷和西穆德谷主要也是流入克里斯平原。所以從地形上看，克里斯平原東西兩邊都是高地，相對也形成良好的屏障。另外，海盜號探測器也在這里發(fā)現(xiàn)數(shù)條古代河流遺跡，這里是火星古代表面曾有液態(tài)水的強力證據(jù)。

有理論認為克里斯平原在火星的赫斯伯利亞紀或早期亞馬遜紀是湖或海，因為河谷都從較高的高原走向克里斯平原或相等高度區(qū)域，有些地表特征甚至顯示了火星古代的海岸線。而克里斯平原往火星北方大平原開口，因此克里斯平原古代可能是一個大型海灣。這些地形地貌都有利于以后大型生態(tài)圈建立重新利用地形以形成水域環(huán)境。

上圖是火星快車號探測衛(wèi)星拍攝的卡塞谷(KaseiValles)北側邊緣地形圖，藍色為高度較低處，橙色則為較高處。可以看出卡塞谷、巴赫拉姆谷（BahramVallis）、韋德拉谷(VedraValles))、茂米谷(MaumeeValles)和邁亞谷（MajaValles）的關系。并且這些河谷的水都流向較低的克里斯平原。

有趣的是基本上所有的火星探測器的登陸點都選擇了北部平原處，這和我們的適合火星登陸及移民的生態(tài)系統(tǒng)分析基本一致。包括我國的天問一號預計登陸點也是在北部的烏托邦平原。從下圖我們也可以看到，克里斯平原附近集中了最多的火星探測器。

更有趣的是我們從地球的歷史看到，最適合人類居住以及文明發(fā)展的區(qū)域是地球的北回歸線至北極圈區(qū)域(北緯23.36度至北緯)，是不是和火星的北部平原地區(qū)不謀而合呢？

第四章：總結

4.1總結與建議

隨著各國加強對火星的探索，包括中國的天問一號的成功發(fā)射，以及商業(yè)公司比如特斯拉創(chuàng)始人埃隆?馬斯克的SpaceX公司的介入，火星殖民逐漸提上日程并變得越來越熱門。本文從一些已有的探索和研究成果，主要從生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境包括一些能源的角度綜合分析探討了最優(yōu)可能的火星殖民地點的選擇。沒有深入對有關生態(tài)圈，工業(yè)，建筑，歷法轉換以及人的因素等方面進行分析。對于這些方面歡迎大家提供建議和進行討論，以進行更深入的研究。

參考文獻

[1]維基百科：火星殖民

[2]ThePlanetarySociety：MapofMarswithmajorregionslabeled

[3]維基百科：大流士歷

[4]UniverseToday:TheBareMinimumNumberofMartianSettlers?

[5]Boynton,W.V.,Feldman,W.C.,Squyres,S.W.,Prettyman,T.H.,Brückner,J.,Evans,L.G.,...&Englert,P.A.J.(2002).DistributionofhydrogeninthenearsurfaceofMars:Evidenceforsubsurfaceicedeposits.Science,297(5578),81-85.

[6]NationalAirandSpaceMuseum：TopographicMapofMars

[7]ESAwebsite:KaseiVallesoutflowchannelsystem

附：本文的展板模式：