構想行星地球化

從幻想到“現實”

最近宇宙開發者或宇宙迷們頻繁使用“地球化”一詞，大眾傳媒也在科學專欄里將它作為一個課題討論。那么“地球化”到底意味著什么呢？所謂“地球化”，是指改造不適合生物生存的非地球天體的環境，使之變成像我們地球這樣舒適的巨大環境工程。

“地球化”一詞最早出現是在1942年美國作家杰克·威廉姆斯德的科幻小說中。但是這種想法在之前就已經存在了。1930年英國作家奧拉姆·斯坦普敦發表的科幻小說《最初的也是最后的人類》中，就描繪了未來人類改造金星使之適合人類生存的構想。那么，是誰最早將這個詞從虛構的世界推向現實的研究中呢？是一個名叫卡爾·塞甘的人。1961年他在發表的金星最新觀察數據的論文中指出，金星的大氣中散布著一種單細胞的藻類，這種藻類有可能通過長期分解金星大氣中的二氧化碳，產生游離的氧。

但是，其后的觀測結果表明，塞甘的猜測事實上是不可能發生的。盡管如此，以塞甘的這篇論文為契機，很多研究者開始把其他行星的環境改造作為研究的課題。經過幾十年的發展，“地球化”研究在今天已經達到了高潮。

改造類地行星環境

今日對行星“地球化”的研究，最先瞄準的天體是火星和金星。從狹義的“地球化”意義上來說，其目標就是對這些行星的環境改造。

這些行星是典型的地球型天體，具體地說就是它們有合適質量與適當的公轉軌道半徑。特別是火星，真可稱得上是地球的兄弟星?；鹦堑墓D軌道半徑平均是地球的1.52倍；與地球相比，它所獲取的太陽能的密度比較低。據推斷，火星在誕生的初期有厚厚的二氧化碳大氣與海。如果火星大氣中的二氧化碳能長期存在，就能通過溫室效應，把入射的太陽能保存在星球上，火星就會有一個溫暖的環境。但是，此后火星大氣中的二氧化碳被海水吸收形成碳酸鈣堆積海底，無法形成溫室效應，造成了火星迅速地冷卻和干燥化，加上火星在大約2億年左右停止向大氣中提供二氧化碳，致使現在的火星成為一個地表大氣僅為0.01氣壓，平均氣溫為-50℃的嚴酷世界。

要將這個冷漠的世界恢復到原來溫暖濕潤的環境并不是很難，把入射火星的太陽能的不足部分用某種方式補足就可以?？茖W家們提出了在火星的軌道上排列許多反射鏡衛星，增加太陽的入射能量，同時讓合適的彗星沖撞火星，用瞬間產生的巨大能量氣化封閉在土中的冰等方法，即可逐步恢復溫暖濕潤的環境。

與此相比，金星的“地球化”則難對付多了。眾所周知，金星的公轉軌道半徑僅是地球的0.7倍，每單位面積的太陽能入射量是地球的1.9倍（其自轉周期為243天），這就使它變成了灼熱的“地獄”。在金星上，不僅生命所必需的水被完全蒸發，就連鉛這樣的物質都熔化了。由于金星上還有二氧化碳構成的濃密大氣層，所以其溫室效應異常的強烈，由此誕生了地表氣溫達460℃，地表氣壓是地球90倍的高溫、高壓世界。

為了通過加速自轉來清除這個濃密的大氣，許多研究者提出讓質量合適的小行星相繼從切向沖撞金星。再者，為讓金星永久地冷卻，在金星與太陽之間的重力平衡點（拉格朗日點）建造巨大的遮陽傘，用它的陰影遮住金星。至于如何給金星補充水的問題，研究者認為可以通過讓彗星沖撞金星，融化彗星上冰的方法解決。

木星的太陽化

總之，火星或者金星的“地球化”不過是對原有的天體環境進行適當改造而已。但如果是比火星遠的諸行星，進行“地球化”則完全是另外一回事了。

木星、土星、天王星等是氣體凝聚的行星群。這些行星表面除了以氫為主體的大氣外，根本就找不到固體。以木星為例，其直徑是地球的1316倍，在赤道上表面重力是地球的2.37倍。木星沒有固體表面，在大氣層之下是液體木星幔。那是在低溫和巨大的大氣壓力下，氫液化形成的深達7萬千米的海洋。液氫旋轉不息地流動，使木星具有強大的磁場。顯然，這里是無法“地球化”的，那么它的衛星群又如何呢？

木星有四顆伽利略衛星，從內側數起依次是木衛一（伊奧）、木衛二（歐羅巴）、木衛三（加尼梅丹）和木衛四（卡利斯特）。如果這些衛星能夠獲得足夠的能量的話，就有可能成為“地球化”的對象。但是在木星周圍，太陽能密度只有地球軌道附近的3.7%，這些能量是遠遠不夠的。那么能否給這些衛星提供充足的能量呢？

作為微型太陽系，木星系以與太陽系同樣的機制存在。由此產生讓木星能夠像太陽那樣發光的想法并非稀奇。C·克拉克在科幻小說《2010年》中描述了提高木星的密度到爆炸的核聚變反應的過程。盡管屬于科幻，克拉克的構想還是受到倫敦大學福格教授的極大關注，他在論文中提出了有關木星太陽化的方法。福格的木星太陽化計劃是從所謂的“原初黑洞”開始的?！霸鹾诙础笔窃诖蟊ê蟪邷?、超高壓的環境中，一部分物質受擠壓形成的。它們極其微小，至今仍漂流在宇宙空間各處。

據推斷，距我們最近的一個“原初黑洞”可能存在于冥王星軌道外側的所謂的“彗星倉庫”中。這個“原初黑洞”或許是像彗星那樣，在圍繞太陽的長橢圓軌道運行時被捕獲到太陽系內部的。在這樣的設想下，如果我們注意觀察伽馬射線輻射或重力失常，就可能會發現“原初黑洞”。

如果發現要找的“原初黑洞”，首先用某些方法俘獲它。例如用合適的小行星與“原初黑洞”構成雙星系統，在小行星上安裝火箭發動機，將此作為重力拖船；或對“原初黑洞”照射帶電粒子束使之帶電，用電磁陷阱搬運。然后，將這個“原初黑洞”放在一個確定的軌道上，使其突入木星大氣層。“原初黑洞”會逐步吸入周圍的氫，當其質量達到一定值時，就開始向周圍輻射電磁波。不久，木星從內部受到加熱，開始在波長2.8微米的紅外線區域達到峰值輻射，漸漸地輻射出弱的紅光。隨后木星的4個伽利略衛星從內側依次被木星加熱，結冰的表面融化，變成被大氣包裹的衛星。

眾所周知，最內側的伊奧衛星有劇烈的火山活動，不適宜居住。而歐羅巴、加尼梅丹和卡利斯特能夠用作居住地的時限大約為1億4千萬年。需要指出的是，這種把木星衛星地球化的方法其實是把“木星太陽化”。在強烈的輻射1億4千萬年后，木星本身的質量也消耗得差不多了。

給木星造地殼

那么對于木星，就真的沒有居住的可能性了嗎？英國天文臺的鮑爾·伯奇提出了絕妙的想法——在木星的外面整個兒包上一層人造的地殼。

顯然，按常規的方法不可能在木星上為人造的地殼筑起地基。伯奇考慮的方法是，利用木星的重力場本身，在它的軌道上放大量的板材，通過這些板材產生的剩余離心力，來支撐人造地殼的載荷。

在木星的赤道上空，距木星中心大約是1.6倍木星半徑的地方支上一個圍繞木星的巨型空心大圓環，環中填滿大量的板材。然后沿著木星的經線方向支一個與上一個環垂直的第二個環，接著又在分別垂直這兩個環的經線方向支第三個環，即用圍繞木星的三個環把它分成X、Y、Z的象限。在完成三條中空大支柱之后，接著繼續在經線和緯線方向上建造空心環互相連接起來。一旦這個工程完成，木星就被由大大小小的空心環密密麻麻編成的籠子包圍，其網眼用一塊塊敲打成型的板填上。板材用打碎的伽利略衛星制成。至于環的半徑，要達到木星半徑的1.6倍。因為在這個距離產生的木星的重力加速度與地球的相同，是1g，即9.8米/秒2。整個籠子高速旋轉，產生的離心力把自身重力抵消。

地殼完成之后，下一個是自傳的問題。因為在木星周圍造的人造地殼相對于木星重力場一直是靜止的。如此的話，人造地殼上的一天就等于木星的公轉周期即12年。因此有必要給人造地殼自轉運動，使它按24小時的周期自轉。為此，我們就不能把所有環做成單個的，而是做成雙層的，各自的內部板材按相反方向旋轉。如果這各自的環持有的角動量完全一致，則環是靜止的，即使角動量稍微有點差異，產生轉矩，環就開始向那邊轉。如果調節好這個轉矩，就能夠把任意的速度設定為自轉速度。

自轉的問題解決了，剩下的就是太陽能的問題。即使1天的長度與地球相同，因為木星軌道附近的太陽能密度只有地球的3.7%，所以這里還是不能孕育生命。

因此，與金星的“地球化”時正好相反，這次是在木星與太陽之間的拉格朗日點附近，放置一個面積為木星截面面積20倍以上的聚光鏡，以收集太陽光。這個透鏡是由極薄的聚合物膜上真空鍍敷金屬的鏡子和支撐它的離心力環構成，將它做成圓錐形，借助每個鏡的連接，巧妙地使光反射，像透鏡那樣改變光的線路。

由于受到來自太陽的光壓，盡管這個力極小，但它產生的加速度積累，會使聚光鏡慢慢離開拉格朗日點向木星靠近，最終會墜落在木星上。因此在木星周圍的軌道上安置反射鏡，用這個反射光把透鏡頂在太陽一側，使其位置保持固定。

這么看來建造完全覆蓋木星的人造地殼是十分費事的工程。但是具有316倍地球表面面積和1個重力加速度的人造地殼是十分有魅力的。將來如果我們能夠開發出這樣的技術，就有可能把存在于這個宇宙中的一切天體重力場改造成適合我們居住的環境。