论文部分内容阅读
从幻想到“现实”
最近宇宙开发者或宇宙迷们频繁使用“地球化”一词，大众传媒也在科学专栏里将它作为一个课题讨论。那么“地球化”到底意味着什么呢？所谓“地球化”，是指改造不适合生物生存的非地球天体的环境，使之变成像我们地球这样舒适的巨大环境工程。
“地球化”一词最早出现是在1942年美国作家杰克·威廉姆斯德的科幻小说中。但是这种想法在之前就已经存在了。1930年英国作家奥拉姆·斯坦普敦发表的科幻小说《最初的也是最后的人类》中，就描绘了未来人类改造金星使之适合人类生存的构想。那么，是谁最早将这个词从虚构的世界推向现实的研究中呢？是一个名叫卡尔·塞甘的人。1961年他在发表的金星最新观察数据的论文中指出，金星的大气中散布着一种单细胞的藻类，这种藻类有可能通过长期分解金星大气中的二氧化碳，产生游离的氧。
但是，其后的观测结果表明，塞甘的猜测事实上是不可能发生的。尽管如此，以塞甘的这篇论文为契机，很多研究者开始把其他行星的环境改造作为研究的课题。经过几十年的发展，“地球化”研究在今天已经达到了高潮。
改造类地行星环境
今日对行星“地球化”的研究，最先瞄准的天体是火星和金星。从狭义的“地球化”意义上来说，其目标就是对这些行星的环境改造。
这些行星是典型的地球型天体，具体地说就是它们有合适质量与适当的公转轨道半径。特别是火星，真可称得上是地球的兄弟星。火星的公转轨道半径平均是地球的1.52倍；与地球相比，它所获取的太阳能的密度比较低。据推断，火星在诞生的初期有厚厚的二氧化碳大气与海。如果火星大气中的二氧化碳能长期存在，就能通过温室效应，把入射的太阳能保存在星球上，火星就会有一个温暖的环境。但是，此后火星大气中的二氧化碳被海水吸收形成碳酸钙堆积海底，无法形成温室效应，造成了火星迅速地冷却和干燥化，加上火星在大约2亿年左右停止向大气中提供二氧化碳，致使现在的火星成为一个地表大气仅为0.01气压，平均气温为-50℃的严酷世界。
要将这个冷漠的世界恢复到原来温暖湿润的环境并不是很难，把入射火星的太阳能的不足部分用某种方式补足就可以。科学家们提出了在火星的轨道上排列许多反射镜卫星，增加太阳的入射能量，同时让合适的彗星冲撞火星，用瞬间产生的巨大能量气化封闭在土中的冰等方法，即可逐步恢复温暖湿润的环境。
与此相比，金星的“地球化”则难对付多了。众所周知，金星的公转轨道半径仅是地球的0.7倍，每单位面积的太阳能入射量是地球的1.9倍（其自转周期为243天），这就使它变成了灼热的“地狱”。在金星上，不仅生命所必需的水被完全蒸发，就连铅这样的物质都熔化了。由于金星上还有二氧化碳构成的浓密大气层，所以其温室效应异常的强烈，由此诞生了地表气温达460℃，地表气压是地球90倍的高温、高压世界。
为了通过加速自转来清除这个浓密的大气，许多研究者提出让质量合适的小行星相继从切向冲撞金星。再者，为让金星永久地冷却，在金星与太阳之间的重力平衡点（拉格朗日点）建造巨大的遮阳伞，用它的阴影遮住金星。至于如何给金星补充水的问题，研究者认为可以通过让彗星冲撞金星，融化彗星上冰的方法解决。
木星的太阳化
总之，火星或者金星的“地球化”不过是对原有的天体环境进行适当改造而已。但如果是比火星远的诸行星，进行“地球化”则完全是另外一回事了。
木星、土星、天王星等是气体凝聚的行星群。这些行星表面除了以氢为主体的大气外，根本就找不到固体。以木星为例，其直径是地球的1316倍，在赤道上表面重力是地球的2.37倍。木星没有固体表面，在大气层之下是液体木星幔。那是在低温和巨大的大气压力下，氢液化形成的深达7万千米的海洋。液氢旋转不息地流动，使木星具有强大的磁场。显然，这里是无法“地球化”的，那么它的卫星群又如何呢？
木星有四颗伽利略卫星，从内侧数起依次是木卫一（伊奥）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（加尼梅丹）和木卫四（卡利斯特）。如果这些卫星能够获得足够的能量的话，就有可能成为“地球化”的对象。但是在木星周围，太阳能密度只有地球轨道附近的3.7%，这些能量是远远不够的。那么能否给这些卫星提供充足的能量呢？
作为微型太阳系，木星系以与太阳系同样的机制存在。由此产生让木星能够像太阳那样发光的想法并非稀奇。C·克拉克在科幻小说《2010年》中描述了提高木星的密度到爆炸的核聚变反应的过程。尽管属于科幻，克拉克的构想还是受到伦敦大学福格教授的极大关注，他在论文中提出了有关木星太阳化的方法。福格的木星太阳化计划是从所谓的“原初黑洞”开始的。“原初黑洞”是在大爆炸后超高温、超高压的环境中，一部分物质受挤压形成的。它们极其微小，至今仍漂流在宇宙空间各处。
据推断，距我们最近的一个“原初黑洞”可能存在于冥王星轨道外侧的所谓的“彗星仓库”中。这个“原初黑洞”或许是像彗星那样，在围绕太阳的长椭圆轨道运行时被捕获到太阳系内部的。在这样的设想下，如果我们注意观察伽马射线辐射或重力失常，就可能会发现“原初黑洞”。
如果发现要找的“原初黑洞”，首先用某些方法俘获它。例如用合适的小行星与“原初黑洞”构成双星系统，在小行星上安装火箭发动机，将此作为重力拖船；或对“原初黑洞”照射带电粒子束使之带电，用电磁陷阱搬运。然后，将这个“原初黑洞”放在一个确定的轨道上，使其突入木星大气层。“原初黑洞”会逐步吸入周围的氢，当其质量达到一定值时，就开始向周围辐射电磁波。不久，木星从内部受到加热，开始在波长2.8微米的红外线区域达到峰值辐射，渐渐地辐射出弱的红光。随后木星的4个伽利略卫星从内侧依次被木星加热，结冰的表面融化，变成被大气包裹的卫星。
众所周知，最内侧的伊奥卫星有剧烈的火山活动，不适宜居住。而欧罗巴、加尼梅丹和卡利斯特能够用作居住地的时限大约为1亿4千万年。需要指出的是，这种把木星卫星地球化的方法其实是把“木星太阳化”。在强烈的辐射1亿4千万年后，木星本身的质量也消耗得差不多了。
给木星造地壳
那么对于木星，就真的没有居住的可能性了吗？英国天文台的鲍尔·伯奇提出了绝妙的想法——在木星的外面整个儿包上一层人造的地壳。
显然，按常规的方法不可能在木星上为人造的地壳筑起地基。伯奇考虑的方法是，利用木星的重力场本身，在它的轨道上放大量的板材，通过这些板材产生的剩余离心力，来支撑人造地壳的载荷。
在木星的赤道上空，距木星中心大约是1.6倍木星半径的地方支上一个围绕木星的巨型空心大圆环，环中填满大量的板材。然后沿着木星的经线方向支一个与上一个环垂直的第二个环，接着又在分别垂直这两个环的经线方向支第三个环，即用围绕木星的三个环把它分成X、Y、Z的象限。在完成三条中空大支柱之后，接着继续在经线和纬线方向上建造空心环互相连接起来。一旦这个工程完成，木星就被由大大小小的空心环密密麻麻编成的笼子包围，其网眼用一块块敲打成型的板填上。板材用打碎的伽利略卫星制成。至于环的半径，要达到木星半径的1.6倍。因为在这个距离产生的木星的重力加速度与地球的相同，是1g，即9.8米/秒2。整个笼子高速旋转，产生的离心力把自身重力抵消。
地壳完成之后，下一个是自传的问题。因为在木星周围造的人造地壳相对于木星重力场一直是静止的。如此的话，人造地壳上的一天就等于木星的公转周期即12年。因此有必要给人造地壳自转运动，使它按24小时的周期自转。为此，我们就不能把所有环做成单个的，而是做成双层的，各自的内部板材按相反方向旋转。如果这各自的环持有的角动量完全一致，则环是静止的，即使角动量稍微有点差异，产生转矩，环就开始向那边转。如果调节好这个转矩，就能够把任意的速度设定为自转速度。
自转的问题解决了，剩下的就是太阳能的问题。即使1天的长度与地球相同，因为木星轨道附近的太阳能密度只有地球的3.7%，所以这里还是不能孕育生命。
因此，与金星的“地球化”时正好相反，这次是在木星与太阳之间的拉格朗日点附近，放置一个面积为木星截面面积20倍以上的聚光镜，以收集太阳光。这个透镜是由极薄的聚合物膜上真空镀敷金属的镜子和支撑它的离心力环构成，将它做成圆锥形，借助每个镜的连接，巧妙地使光反射，像透镜那样改变光的线路。
由于受到来自太阳的光压，尽管这个力极小，但它产生的加速度积累，会使聚光镜慢慢离开拉格朗日点向木星靠近，最终会坠落在木星上。因此在木星周围的轨道上安置反射镜，用这个反射光把透镜顶在太阳一侧，使其位置保持固定。
这么看来建造完全覆盖木星的人造地壳是十分费事的工程。但是具有316倍地球表面面积和1个重力加速度的人造地壳是十分有魅力的。将来如果我们能够开发出这样的技术，就有可能把存在于这个宇宙中的一切天体重力场改造成适合我们居住的环境。
最近宇宙开发者或宇宙迷们频繁使用“地球化”一词，大众传媒也在科学专栏里将它作为一个课题讨论。那么“地球化”到底意味着什么呢？所谓“地球化”，是指改造不适合生物生存的非地球天体的环境，使之变成像我们地球这样舒适的巨大环境工程。
“地球化”一词最早出现是在1942年美国作家杰克·威廉姆斯德的科幻小说中。但是这种想法在之前就已经存在了。1930年英国作家奥拉姆·斯坦普敦发表的科幻小说《最初的也是最后的人类》中，就描绘了未来人类改造金星使之适合人类生存的构想。那么，是谁最早将这个词从虚构的世界推向现实的研究中呢？是一个名叫卡尔·塞甘的人。1961年他在发表的金星最新观察数据的论文中指出，金星的大气中散布着一种单细胞的藻类，这种藻类有可能通过长期分解金星大气中的二氧化碳，产生游离的氧。
但是，其后的观测结果表明，塞甘的猜测事实上是不可能发生的。尽管如此，以塞甘的这篇论文为契机，很多研究者开始把其他行星的环境改造作为研究的课题。经过几十年的发展，“地球化”研究在今天已经达到了高潮。
改造类地行星环境
今日对行星“地球化”的研究，最先瞄准的天体是火星和金星。从狭义的“地球化”意义上来说，其目标就是对这些行星的环境改造。
这些行星是典型的地球型天体，具体地说就是它们有合适质量与适当的公转轨道半径。特别是火星，真可称得上是地球的兄弟星。火星的公转轨道半径平均是地球的1.52倍；与地球相比，它所获取的太阳能的密度比较低。据推断，火星在诞生的初期有厚厚的二氧化碳大气与海。如果火星大气中的二氧化碳能长期存在，就能通过温室效应，把入射的太阳能保存在星球上，火星就会有一个温暖的环境。但是，此后火星大气中的二氧化碳被海水吸收形成碳酸钙堆积海底，无法形成温室效应，造成了火星迅速地冷却和干燥化，加上火星在大约2亿年左右停止向大气中提供二氧化碳，致使现在的火星成为一个地表大气仅为0.01气压，平均气温为-50℃的严酷世界。
要将这个冷漠的世界恢复到原来温暖湿润的环境并不是很难，把入射火星的太阳能的不足部分用某种方式补足就可以。科学家们提出了在火星的轨道上排列许多反射镜卫星，增加太阳的入射能量，同时让合适的彗星冲撞火星，用瞬间产生的巨大能量气化封闭在土中的冰等方法，即可逐步恢复温暖湿润的环境。
与此相比，金星的“地球化”则难对付多了。众所周知，金星的公转轨道半径仅是地球的0.7倍，每单位面积的太阳能入射量是地球的1.9倍（其自转周期为243天），这就使它变成了灼热的“地狱”。在金星上，不仅生命所必需的水被完全蒸发，就连铅这样的物质都熔化了。由于金星上还有二氧化碳构成的浓密大气层，所以其温室效应异常的强烈，由此诞生了地表气温达460℃，地表气压是地球90倍的高温、高压世界。
为了通过加速自转来清除这个浓密的大气，许多研究者提出让质量合适的小行星相继从切向冲撞金星。再者，为让金星永久地冷却，在金星与太阳之间的重力平衡点（拉格朗日点）建造巨大的遮阳伞，用它的阴影遮住金星。至于如何给金星补充水的问题，研究者认为可以通过让彗星冲撞金星，融化彗星上冰的方法解决。
木星的太阳化
总之，火星或者金星的“地球化”不过是对原有的天体环境进行适当改造而已。但如果是比火星远的诸行星，进行“地球化”则完全是另外一回事了。
木星、土星、天王星等是气体凝聚的行星群。这些行星表面除了以氢为主体的大气外，根本就找不到固体。以木星为例，其直径是地球的1316倍，在赤道上表面重力是地球的2.37倍。木星没有固体表面，在大气层之下是液体木星幔。那是在低温和巨大的大气压力下，氢液化形成的深达7万千米的海洋。液氢旋转不息地流动，使木星具有强大的磁场。显然，这里是无法“地球化”的，那么它的卫星群又如何呢？
木星有四颗伽利略卫星，从内侧数起依次是木卫一（伊奥）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（加尼梅丹）和木卫四（卡利斯特）。如果这些卫星能够获得足够的能量的话，就有可能成为“地球化”的对象。但是在木星周围，太阳能密度只有地球轨道附近的3.7%，这些能量是远远不够的。那么能否给这些卫星提供充足的能量呢？
作为微型太阳系，木星系以与太阳系同样的机制存在。由此产生让木星能够像太阳那样发光的想法并非稀奇。C·克拉克在科幻小说《2010年》中描述了提高木星的密度到爆炸的核聚变反应的过程。尽管属于科幻，克拉克的构想还是受到伦敦大学福格教授的极大关注，他在论文中提出了有关木星太阳化的方法。福格的木星太阳化计划是从所谓的“原初黑洞”开始的。“原初黑洞”是在大爆炸后超高温、超高压的环境中，一部分物质受挤压形成的。它们极其微小，至今仍漂流在宇宙空间各处。
据推断，距我们最近的一个“原初黑洞”可能存在于冥王星轨道外侧的所谓的“彗星仓库”中。这个“原初黑洞”或许是像彗星那样，在围绕太阳的长椭圆轨道运行时被捕获到太阳系内部的。在这样的设想下，如果我们注意观察伽马射线辐射或重力失常，就可能会发现“原初黑洞”。
如果发现要找的“原初黑洞”，首先用某些方法俘获它。例如用合适的小行星与“原初黑洞”构成双星系统，在小行星上安装火箭发动机，将此作为重力拖船；或对“原初黑洞”照射带电粒子束使之带电，用电磁陷阱搬运。然后，将这个“原初黑洞”放在一个确定的轨道上，使其突入木星大气层。“原初黑洞”会逐步吸入周围的氢，当其质量达到一定值时，就开始向周围辐射电磁波。不久，木星从内部受到加热，开始在波长2.8微米的红外线区域达到峰值辐射，渐渐地辐射出弱的红光。随后木星的4个伽利略卫星从内侧依次被木星加热，结冰的表面融化，变成被大气包裹的卫星。
众所周知，最内侧的伊奥卫星有剧烈的火山活动，不适宜居住。而欧罗巴、加尼梅丹和卡利斯特能够用作居住地的时限大约为1亿4千万年。需要指出的是，这种把木星卫星地球化的方法其实是把“木星太阳化”。在强烈的辐射1亿4千万年后，木星本身的质量也消耗得差不多了。
给木星造地壳
那么对于木星，就真的没有居住的可能性了吗？英国天文台的鲍尔·伯奇提出了绝妙的想法——在木星的外面整个儿包上一层人造的地壳。
显然，按常规的方法不可能在木星上为人造的地壳筑起地基。伯奇考虑的方法是，利用木星的重力场本身，在它的轨道上放大量的板材，通过这些板材产生的剩余离心力，来支撑人造地壳的载荷。
在木星的赤道上空，距木星中心大约是1.6倍木星半径的地方支上一个围绕木星的巨型空心大圆环，环中填满大量的板材。然后沿着木星的经线方向支一个与上一个环垂直的第二个环，接着又在分别垂直这两个环的经线方向支第三个环，即用围绕木星的三个环把它分成X、Y、Z的象限。在完成三条中空大支柱之后，接着继续在经线和纬线方向上建造空心环互相连接起来。一旦这个工程完成，木星就被由大大小小的空心环密密麻麻编成的笼子包围，其网眼用一块块敲打成型的板填上。板材用打碎的伽利略卫星制成。至于环的半径，要达到木星半径的1.6倍。因为在这个距离产生的木星的重力加速度与地球的相同，是1g，即9.8米/秒2。整个笼子高速旋转，产生的离心力把自身重力抵消。
地壳完成之后，下一个是自传的问题。因为在木星周围造的人造地壳相对于木星重力场一直是静止的。如此的话，人造地壳上的一天就等于木星的公转周期即12年。因此有必要给人造地壳自转运动，使它按24小时的周期自转。为此，我们就不能把所有环做成单个的，而是做成双层的，各自的内部板材按相反方向旋转。如果这各自的环持有的角动量完全一致，则环是静止的，即使角动量稍微有点差异，产生转矩，环就开始向那边转。如果调节好这个转矩，就能够把任意的速度设定为自转速度。
自转的问题解决了，剩下的就是太阳能的问题。即使1天的长度与地球相同，因为木星轨道附近的太阳能密度只有地球的3.7%，所以这里还是不能孕育生命。
因此，与金星的“地球化”时正好相反，这次是在木星与太阳之间的拉格朗日点附近，放置一个面积为木星截面面积20倍以上的聚光镜，以收集太阳光。这个透镜是由极薄的聚合物膜上真空镀敷金属的镜子和支撑它的离心力环构成，将它做成圆锥形，借助每个镜的连接，巧妙地使光反射，像透镜那样改变光的线路。
由于受到来自太阳的光压，尽管这个力极小，但它产生的加速度积累，会使聚光镜慢慢离开拉格朗日点向木星靠近，最终会坠落在木星上。因此在木星周围的轨道上安置反射镜，用这个反射光把透镜顶在太阳一侧，使其位置保持固定。
这么看来建造完全覆盖木星的人造地壳是十分费事的工程。但是具有316倍地球表面面积和1个重力加速度的人造地壳是十分有魅力的。将来如果我们能够开发出这样的技术，就有可能把存在于这个宇宙中的一切天体重力场改造成适合我们居住的环境。