摘要

人类不可能永远只在一个星球居住！随着太空科学的发展和人类发展的需要，外星殖民正成为越来越热门的探讨课题。

相对而言，以人类现有的科技水平，太阳系内是现在外星殖民一个可以值得实现的设想。火星以其具备稀薄的大气层，表面状况和丰富的水资源，距离地球较近以及比月球更接近地球的重力被许多科学家（包括史蒂芬·霍金）认为是一个殖民的理想行星。埃隆•马斯克（ElonMusk）成立的SpaceX公司也将殖民火星作为目标之一。

本文的研究旨在从火星的地形，自然灾害，气候，资源等生态系统环境要素等方面提出了火星人类居住地的可行性分析，并给出了可能的火星最佳移民居住区域的选址。

第一章：背景研究

本文基于已有的关于火星的探索和研究成果，进行了更深入的分析。结合已有的火星环境研究，整体分析各个环境要素对火星殖民可能的影响，结合其他的一些因素以探索可行的火星居住地方案。

1.1火星概况

从殖民火星的角度上考虑，火星和地球有很多相似点和有利于人类居住的特性[1]：

火星自转周期与地球相近,一日的时间与地球一日的时间十分接近。火星的太阳日时长24小时39分35.244秒。

火星的自转轴倾角为25.19°，与地球的23.44°相近，因此火星季节与地球相似。只是火星公转一周约为地球公转时间的两倍，因而火星上各季节的长度，比地球长将近一倍。又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约40天。

火星有大气层，但非常稀薄，仅相当于地球大气层的0.7%，因此，火星只可以抵挡部分的太阳辐射和宇宙射线。

火星上没有稳定的液态水资源，但是火星的探测都表明火星上有丰富的水冰。

火星橘红色外表是因为地表被赤铁矿（氧化铁）覆盖资源，有丰富的铁矿资源。

火星的环境也有许多不利于人类居住的特性：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。

火星的平均温度在零下87°C与零下5°C之间，相较于地球要寒冷得多。

火星的轨道离心率较地球为大，造成气温与太阳辐射的变化较大。

火星上的大气压远低于阿姆斯壮极限的61.8百帕，不足以让人类在未配备压力设备的状况下生存。

火星大气层中有95％的二氧化碳，3％的氮，1.6％的氩气和其它气体，包括共计小于0.4％的氧气，火星的空气不利于地球的植物和动物生存。

火星上的磁场极小，所以，火星干扰太阳风的能力不足。

1.2火星的地形

火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石、陨石遍布。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠。与地球相比，火星地质活动较不活跃，地表地貌大部分于远古较活跃的时期形成，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括主要位于中部的太阳系第二高的山：奥林帕斯山，塔尔西斯高原和最大的峡谷-水手号峡谷等。火星还有一个地形特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，例如赫斯珀利亚高原，诺亚高地等。北方则是较年轻的平原，例如北方大平原，亚马逊平原，阿卡迪亚平原，克里斯平原，乌托邦平原等。

1.3火星历法

火星一个回归年的长度为668.5907个火星日，也就是说，需要设计一套火星历法，平常每年是668个火星日，闰年是669个火星日，并且让历法年的平均值接近回归年的长度。实际上，大流士火星历已经设计了这个工作[3]。

火星日是根据火星自传周期得出，一火星日比一地球日长39分钟35.244秒，而一火星年的长度则为668.5907火星日，因此基本的设置闰年公式就是每十个火星年均约由6个669火星日的火星年及4个668火星日的火星年所组成。

大流士历法将一个火星年分为24个月，每6个月的最初5个月的长度为28火星日，其余为27火星日（也就是6月、12月、18月为27天）。而最后一个月（24月），如果是闰年就是28个火星日，平年则为27个火星日。

这样一来，平年长度为：20*28+27*4=668火星日，而闰年的长度为：21*28+27*3=669火星日。

第二章：火星殖民生态系统各项分析

2.1研究对象

根据萨洛蒂的文章“TheBareMinimumNumberofMartianSettlers?”中列出的火星殖民需要考虑的五个生存域（萨洛蒂，《科学报告》，2020年[4]），本文着重从其中的Ecosystem（生态系统）中所列的环境要素以及一些有关能源的方面进行分析。

2.2大气和气候

整体上火星的大气成分不适合人类生存，需要改造。有利的一点是火星大气中二氧化碳丰富，可以作为燃料的制造原材料。二氧化碳加氢气产生甲烷与氧气或者以氧化锆的固体氧化物电解质将二氧化碳分解为氧气与一氧化碳。低海拔地区空气下沉，密度升高，有助于提高将火星稀薄大气层中的水和二氧化碳转化为甲烷的效率，便于生产更多燃料。另外，火星上平均气压也比地球上低得多，比如地表气压低至奥林帕斯山顶的30帕，高至希腊平原低点的1155帕。低海拔地区气压比高海拔地区大很多，更适合生存并且有利于飞船使用大气阻力减速。从这些角度出发，低海拔的平原，谷地会更有利一些。

虽然火星的气候类似地球，包括季节和周期性的冰河期。但是火星的气候和南极洲一样，异常寒冷，从温度的角度来说，定居点选取火星赤道地区更为有利，因为这里更温暖、光照更好。并且离赤道越远的地区，气候变化就越大。并且我们知道，航天发射场的纬度越低，也就越能借星球自转的速度节省发射能量。对于火星而言纬度低意味着发射低倾角航天器更容易。另外，从地球地形的特性考虑，人类生活的区域为大气的最低层，也就是对流层，在对流层内海拔越高，温度就越低。从这些角度出发，赤道地区以及低纬度的低海拔地区会更有利，两极地区不合适。

2.3地形地貌和矿物资源

火星的地质多变。从安全的角度，飞船选取较为平坦、基本上没有大块的岩石;存在巨大的地下冰川;远离火星极地冰盖、温度高于其它地区的地形地貌登陆的风险较低。

从勘探的考虑，最好在半径为60英里（100公里）的区域地形较为平坦，有利于进行探索工作。

从前面火星地形分析研究可以看到，中部主要火山和峡谷较多。南方主要是古老、充满陨石坑的高地。北方则主要是较年轻的平原。

从这个角度出发，最佳的殖民点选取最好是北方海拔底的平原地区，适合飞船降落并且易于探索。最好还靠近火山地区，因为有火山活动造成的火山灰形成的土壤及粘土矿藏，有可能可以提取有机化合物甚至玻璃。火星上还存在有丰富的铁矿，可以提供铁资源。

2.4水资源

火星曾经是一个温暖的星球，表面有水流动。有河流，火山口湖，甚至海洋。但是现在大部分的水都没了，剩下的都冻住了。有些在两极，但大部分在地表以下，已经存在了很长时间。

火星殖民水是主要的资源，它的位置将是决定性因素。水不仅是生存和生活所需，而且是前面所说制造燃料所需要的氢的最佳来源。水甚至还可以用于农业，用以建立火星生态圈。我们不可能将水从地球上带到火星，这是一项非常耗费人力物力的挑战，所以在原地找到水将是关键。因此火星定居点必须靠近火星水源附近。

液态水在火星表面几乎不存在。火星的水大多锁在永久冻土和极冠等冰冻圈（Cryosphere）。火星的南北两极一度引起了科学家的极大兴趣，火星奥德赛号发现，火星两极藏有的水资源最为丰富。不过，科学家也发现纬度较低的地区也有水资源。所以，两极的吸引性有所下降。另外的研究发现火星上可能的出水点分布在悬崖边缘，一些可能是由水带来的矿物沉积物也分布在悬崖的底部。

如下图奥德赛号探测的水资源所示，奥德赛号的伽马光谱仪测量的火星全球超热中子量分布。因为超热中子被氢原子慢化的效率最高，所以观测到的超热中子量越低就代表氢的富集度（水冰含量）越高。选取地图上蓝色区域为火星殖民点最为有利。

2.5生存需求

除了大气和水之外，食物和能源以及抵抗自然灾害等方面也是生存所需考虑的问题。

火星环境很难适应大部分动物和植物，只有部分微生物和地衣可能生存。从食物和气候的改造，都需要建立火星生态圈。从这方面来说，需要有植物能够生存的合适的土壤和水。从这方面考虑，最好是有丰富水资源的低海拔平原地区，并且有合适的土壤。这样的话，北方靠近火山区的平原地区是比较好的选择。

能源方面，赤道地区光照更好，有助于太阳能发电，并且可能藏有地热能源。低海拔有水资源的地区可以利用二氧化碳加氢气产生甲烷与氧气，生成燃料能源。

火星也没有浓厚的大气层。因此，火星会接收到大量的游离辐射，在地下建筑生存空间会减少人类吸收辐射。火星地表有许多熔岩管入口，并且科学家在山脉区域发现了天然洞穴，这些可以作为现成的建造建筑，以保护居住的人类免受辐射伤害，所以选择的平原地区最好靠近山脉边缘。

第三章：综合分析与结论

3.1综合分析

综合评价，火星各区域适合殖民的优缺点如下：

从表1可以看出，比较好的结果应该是选取低海拔较低纬度的北部平原地区，并且最好存在丰富的水资源，并接近火山及山脉区域。

3.2结论

比对上面的“图二火星地形图”和“图五火星水资源分布图”，我们可以看到克里斯平原（ChrysePlanitia）或许是我们的最优选择。克里斯平原位于火星北半球，塔尔西斯火山高原边缘靠近赤道的圆形平原，中心位于26.7°N320.0°E，直径约1600公里，低于火星大地水准面约2.5公里，这里是火星表面地势最低的几处。这些都符合我们所需要的低纬度低海拔，平原靠近山脉区的地形特征。

克里斯平原有古代火星河流侵蚀的地表特征。其位于水手号峡谷等许多发源自南方陨击高原的末端。因此一般认为水流将流入此处。西南侧，从塔尔西斯高原往克里斯平原的地形是一路下降。卡塞谷、迈亚谷和纳内迪谷是从塔尔西斯高原往克里斯平原。克里斯平原的东侧地势则是逐渐变高。阿瑞斯谷就是从克里斯平原东侧的高原流入。提尔谷和西穆德谷主要也是流入克里斯平原。所以从地形上看，克里斯平原东西两边都是高地，相对也形成良好的屏障。另外，海盗号探测器也在这里发现数条古代河流遗迹，这里是火星古代表面曾有液态水的强力证据。

有理论认为克里斯平原在火星的赫斯伯利亚纪或早期亚马逊纪是湖或海，因为河谷都从较高的高原走向克里斯平原或相等高度区域，有些地表特征甚至显示了火星古代的海岸线。而克里斯平原往火星北方大平原开口，因此克里斯平原古代可能是一个大型海湾。这些地形地貌都有利于以后大型生态圈建立重新利用地形以形成水域环境。

上图是火星快车号探测卫星拍摄的卡塞谷(KaseiValles)北侧边缘地形图，蓝色为高度较低处，橙色则为较高处。可以看出卡塞谷、巴赫拉姆谷（BahramVallis）、韦德拉谷(VedraValles))、茂米谷(MaumeeValles)和迈亚谷（MajaValles）的关系。并且这些河谷的水都流向较低的克里斯平原。

有趣的是基本上所有的火星探测器的登陆点都选择了北部平原处，这和我们的适合火星登陆及移民的生态系统分析基本一致。包括我国的天问一号预计登陆点也是在北部的乌托邦平原。从下图我们也可以看到，克里斯平原附近集中了最多的火星探测器。

更有趣的是我们从地球的历史看到，最适合人类居住以及文明发展的区域是地球的北回归线至北极圈区域(北纬23.36度至北纬)，是不是和火星的北部平原地区不谋而合呢？

第四章：总结

4.1总结与建议

随着各国加强对火星的探索，包括中国的天问一号的成功发射，以及商业公司比如特斯拉创始人埃隆•马斯克的SpaceX公司的介入，火星殖民逐渐提上日程并变得越来越热门。本文从一些已有的探索和研究成果，主要从生态系统环境包括一些能源的角度综合分析探讨了最优可能的火星殖民地点的选择。没有深入对有关生态圈，工业，建筑，历法转换以及人的因素等方面进行分析。对于这些方面欢迎大家提供建议和进行讨论，以进行更深入的研究。

参考文献

[1]维基百科：火星殖民

[2]ThePlanetarySociety：MapofMarswithmajorregionslabeled

[3]维基百科：大流士历

[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：