未来一百年，人类能到哪里去（中）

郑永春

让我们一起去火星吧！

火星知多少

地球是一颗蓝色的星球，而火星是一颗红色的星球。在整个太阳系中，火星是与地球环境最为相似的行星，也是最有可能实现宜居的星球。火星的直径大约只有地球的一半，重量大约只有地球的1/11，大气比地球稀薄，温度也比地球更低一点，上面还有很大的风。

火星非常有意思。随着四季更迭，它的表面变化多端。冬天，温度下降，南北极的冰盖会扩张；到了夏天，冰盖又会缩小。冬天，火星大气透明度很高，撞击坑清晰可见；而到了春夏季节，火星上沙尘肆虐，一片朦胧。因为沙尘暴，火星车上的太阳能板常常是“灰头土脸”的，火星车也因此变得“没精打采”。没人去擦拭灰尘该怎么办呢？科学家发现，当下一次刮风时，这些沙尘往往就会被吹走，太阳能板又变得光洁锃亮，火星车重现活力。

火星上真的有水吗？

与地球相似，火星是一颗“活”的星球，表面是变化的，会产生许多奇怪的现象。这一点跟月球很不同，月球表面基本上几千年都不会变化，是一颗死亡的星球。2015年，科学家在火星的一些斜坡上发现了奇怪的暗色条纹。它们在火星的夏天出现，在冬天消失。难道这些条纹是水流吗？夏天冰雪融化就出现条纹，冬天凝结成冰就看不见。但是，我们知道，火星比地球更远离太阳，它表面的平均温度是零下四五十摄氏度。那么冷的情况下，冰怎么可能融化呢？如果不是水流，那些暗色条纹到底是什么呢？

我们再仔细想想，假设火星上真的有水，那里的水其實不一定是0℃结冰、100℃沸腾的。一方面，火星上的大气压只有地球的0.6%。如此稀薄的大气，水的沸点会变得很低，在10℃就会沸腾。所以，你会觉得火星上的开水很凉。另一方面，火星上十分干旱，就算有水，应该不是以纯净水的形式存在的，里面会含有其他化学物质。如果水中含一定浓度的高氯酸盐，俗称卤水，那么，水的冰点和沸点都会改变，到了零下70多摄氏度，水才会结冰，到了24℃水就会沸腾。

借助光谱观测，科学家的确在这些暗色条纹中检测到了高氯酸盐，这可能说明火星表面有液态水。但是，后来又有新的证据，质疑这些暗色条纹很可能不是液态水导致的。因此，还需要更多的证据才能证明火星上是否有液态水。

你看，这个例子就说明，科学是对未知的探索，科学家发现的不一定是绝对的真理，而是随时可以被改变的真理，当然，前提是要发现可以推翻科学发现的充分证据。

一等就是2年多

在科幻电影《火星救援》里，我们看到男主角每天种土豆、吃土豆、数土豆，这是为什么呢？因为2年多才有1次发射火星探测器的机会，因此他至少要在火星上等26个月，才能迎来救他回去的新一批宇航员，在此期间他必须努力求生，自给自足。

为了更好地说明为什么要等上26个月，我们需要从地球和火星的相对位置关系说起。我们可以把太阳系比作是学校的操场，操场中间的那个圈是太阳，外圈有八条跑道，分别代表八大行星，其中太阳占太阳系绝大部分的质量。火星在四环上，地球在三环上，火星的跑道在地球的外侧。火星与地球的运动速度不同。地球绕太阳一圈大概要365天，火星绕太阳一圈大约要687天。也就是说，火星上的1年大约是地球上的1.89年。因此，火星有时候在地球的前方，有时候在后面，有时候距离越来越大，有时候距离越来越近，有时候和地球并肩奔跑。当火星和地球在操场的两端时，二者之间的距离最远；当它们在操场的同一端时，二者的距离最近。如果由内向外，太阳、地球、火星三者在一条直线上，从地球上看过去，火星和太阳在同一个方向，这一现象称为火星冲日。

在下图中，蓝色代表着地球的公转轨道，红色代表着火星的公转轨道。因为公转的速度不同，大致相当于地球跑2圈，火星才能跑1圈。所以，每26个月（2年多一点，也就是地球绕太阳2圈多一点），就会有这样的时机：火星在地球前方44°。此时，从地球上发射火星探测器，设计好轨道，让它沿着绿色的轨道前往火星。这条地火转移轨道，也叫霍曼转移轨道。沿着这条特殊的轨道，从地球到火星所需的能量是最少的。节省的能量越多，航天器才能携带更多的科学仪器探测火星。探测器从地球上出发时，火星在地球的前方。当探测器抵达火星时，地球已经远远地把火星甩在身后了。

火星上的衣食住行

说回电影《火星救援》中的种土豆。为什么马克要选择土豆这种植物呢？为啥不种水稻、小麦呢？因为土豆是一种全营养植物，营养成分比较全面，产量也比其他作物更高。但是，看起来简简单单的土豆要想在火星上种植，可不是一件简单的事。光是改良火星土壤，培育适应极端环境的种子，就需要用到农学、地质学、土壤学等多学科知识。生活中的问题影响因素多，往往需要进行跨学科学习才能解决。你看，这是一个没有标准答案但具有明确目标的探究案例，与我们在校内寻找标准答案的学习是很不同的。

你也许在想：我不想每天吃土豆条、土豆片、土豆丝、土豆泥，我想吃火锅！但在火星上，吃素也许是个更好的选择，因为吃荤菜实在太奢侈了！以猪肉为例，猪每长1斤肉，就需要吃至少3斤土豆，还要消耗大量的水和矿物质。如果将来人类移民火星，蝗虫、蟋蟀、大麦虫这些常温动物的蛋白质转化率更高，有可能登上“舌尖上的火星”。

火星上喝水怎么办呢？前面提到，至今科学家还没有在火星的地表找到流动的液态水。但火星上的确有水。“凤凰号”火星着陆器在火星表面用铲子挖了一条浅浅的沟，发现沟里有几个冰块，但4天之后冰块没有了。它还在自己的着陆腿上发现了一些露珠，过了几天，露珠的分布也发生了变化。这说明，火星的空气中和土壤里是有水的。因此，获取土壤中的水、地下水和空气中的水，都有可能成为未来火星移民的取水方式。但现在，国际空间站里的宇航员只能喝用“昨天喝下去的咖啡”净化后的水，也就是尿液净化处理后的水。

未来，如果我们解决了火星上的粮食供应和水源的问题，氧气的问题也有办法可以解决。我们可以通过二氧化碳的分解反应，或者人造树叶的光合作用获取氧气。

可是，最关键的是，我们怎么去火星呢？目前去火星的费用非常昂贵。因为现在的航天器大多是“一次性”的。就好比，我现在开车从上海去杭州，到了杭州之后就把车丢了，那么，从上海到杭州的费用就是油费加上汽车的钱。现在，太空探索技术公司SpaceX已经开发出一种可回收再利用的火箭。也许在不久的将来，地球到火星的廉价航班就会开始运行了。■