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User:LuciferianThomas/沙盒/金星地球化

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金星地球化的構想效果。雲層的形狀是假設金星的自傳速度未有增加

金星地球化是構想中將金星改造成人類可居住的環境。[1][2][3]金星地球化的學術性構想最先由天文學家卡爾·薩根在1961年提出[4]，但此前在虛構作品中，一些虛構的地球化方案曾被提出過。將金星環境調整至可支援人類生活需要在最少三個方面去改造金星的大氣層：[3]

  1. 降低金星737 K（464 °C；867 °F）的地表溫度[5]；
  2. 移除金星壓力高達9.2百萬帕斯卡（91標準大氣壓）、主要由二氧化碳和二氧化硫構成的濃密大氣層，或將其轉化為其他形態；
  3. 向大氣中添加供呼吸用的氧氣。

這三個改造步驟密切相關，因為金星極高的溫度正是由非常高壓的濃密大氣和溫室效應造成的。

歷史 编辑

早在1950年，伊曼紐爾·維利科夫斯基（英语：Immanuel Velikovsky）已經預測金星的大氣可能是非常熱的，但在1960年代之前，很多天文學家都認為金星大氣層的溫度跟地球相似。[6]當科學家發現金星的大氣層主要由極濃密的二氧化碳構成，並因此有很強的溫室效應的時候[7]，部分科學家開始考慮將金星的大氣改造成跟地球的相類似。金星地球化這個構想在1961年由天文學家卡爾·薩根在學術期刊《科學》發表的文章的最後一節中提出，當中討論了金星的大氣和溫室效應。[4]薩根提出把能進行光合作用的細菌注入金星的大氣層內，將二氧化碳轉化為有機形式的還原碳，從而減少大氣中的二氧化碳。

不幸的是，薩根在1961年提出他最初的金星地球化方案構想時，科學界對金星的大氣的瞭解不太準確。33年後在他1994年的著作《暗淡藍點》中，薩根承認他當初的地球化方案不會奏效，因為金星的大氣遠比1961年時所認知的要濃密得多： [8]

這是指明的缺陷：1961年的時候我以為金星的大氣壓力只有數巴……我們現在知道實際上它是90巴，如此就算計劃奏效，金星表面會被幾百米深的精細石墨覆蓋，而大氣就會由65巴的幾乎純氧氣構成。我們可能會先在大氣壓力下內爆，或是在高濃度氧氣的大氣中自燃。然而，在積累這麼多氧氣前，[金星表面的]石墨也會瞬間自燃變回二氧化碳，導致這個過程作廢。

在薩根發表該論文後，關於這個構想概念的科學研討不多，直到1980年代才重新引起人們對此的興趣。[9][10][11]

曾被提出的金星地球化方案 编辑

馬丁·J·福格（英语：Martyn J. Fogg）（1995）[2][12]和傑弗里·蘭迪斯（2011）[3]審視了數個金星地球化的方案。

去除稠密的二氧化碳大氣 编辑

現時金星的環境中對地球化最大的障礙是金星非常稠密的二氧化碳大氣。在金星地面的大氣壓力達到9.2百萬帕斯卡（91標準大氣壓；1,330磅力每平方英寸）。同時，由於溫室效應的關係，金星地表溫度比任何顯著的生物可生存的溫度範圍高出好幾百度。因此，所有金星地球化的方案都包含某種從大氣中移除差不多所有二氧化碳的操作。

生物方式 编辑

卡爾·薩根在1961年提出的方案涉及使用經過基因改造的藻類將大氣中的二氧化碳進行碳固定並轉化成有機化合物。[4]雖然這個方法仍在金星地球化的討論上被提出[11]，後來的研究發現單靠生物方式不會奏效。[13]

其中一個問題在於將二氧化痰轉換為其他有機化合物的生物化學過程需要在金星上很稀有的氫氣。[14]由於金星缺乏磁層保護，上層大氣直接暴露於太陽風的侵蝕下，大氣中的氫也因此流失到太空中。此外，如同薩根所言，任何在有機化學物中的碳會很快被熾熱的地表再度轉換回二氧化碳。[8]在移除大部分二氧化碳之前，金星都不會開始冷卻。

雖然單獨透過引入光合細菌群已被普遍認為不是金星地球化的可行做法，但在其他地球化方案中，也有包含使用光合細菌群或藍藻來製造氧氣，以讓生物能在金星進行呼吸。[15]

封存為碳酸鹽 编辑

在地球上，幾乎所有的碳都以碳酸鹽礦物的形式或在碳循環的不同階段被封存，而大氣中僅有極少以二氧化碳的形式存在的碳。金星的情況則是相反的，大部分的碳都存在於大氣層，相對而言被封存在岩石圈的碳就比較少。[16]因此，很多金星地球化的方案都包含將二氧化碳以碳酸鹽形式封存。

在天文生物學家馬克·布洛克和大衛·格林斯彭（英语：David Grinspoon）所推算的金星大氣演變模型中顯示現時金星的92巴大氣和地表上的礦物（尤為氧化鈣和氧化鎂）的化學平衡並不穩定，而這些礦物可透過化學反應將二氧化碳轉化為碳酸鹽封存。在地表上的礦物已經全數進行過化學反應轉化為碳酸鹽後，金星的溫度也會隨着大氣壓力降低。布洛克和格林斯彭的模型的其中一個可能的終態中，金星的大氣壓力可降至43巴（620磅力每平方英寸），地表溫度也可降至400 K（127 °C）。[16]在處理大氣中剩餘的二氧化碳時，需要將大片的地殼人為地暴露在大氣中以容許進一步的碳酸鹽轉化。1989年，亞歷山大·G·史密斯提出可透過翻開岩石圈以讓更多部分的地殼被轉換為碳酸鹽。[17]傑弗里·迪斯在2011年指出可能需要用上一公里深的地殼岩石才有足夠表面面積的岩石以封存大氣中的二氧化碳。[3]

從礦物和二氧化碳自然生成碳酸鹽岩是一個非常慢的過程，但近期有關於應對地球上全球暖化的研究指出通過使用聚苯乙烯微球等催化劑，將二氧化碳封存為碳酸鹽礦物的過程可被大幅加快（從數百至數千年減至僅僅75天）。[18]因此，相似的技術也被認為可被用在金星地球化上。此外，將礦物質和二氧化碳轉化為碳酸鹽的化學反應是放熱的，過程中產生的能量比反應消耗的能量多，因此這個反應可能會形成正循環而令反應速率指數式增長，直至大氣中大部分的二氧化碳已被轉換。

另一個被提出的方案是以外來的鎂和鈣細粉轟擊金星，並以碳酸鈣和碳酸鎂的形式封存二氧化碳。將金星大氣中的所有二氧化碳轉換需要大約8×1020公斤的鈣或5×1020公斤的鎂，這將需要大量的採礦和精煉，地殼中蘊含豐富礦物質的水星可能會成為這些礦物的來源。[19]8×1020公斤是直徑500公里（310英里）的小行星灶神星的質量的數倍。

注入火山玄武岩 编辑

近年在冰島和美國華盛頓州進行的研究計劃顯示，通過將二氧化碳高壓注入地下多孔玄武岩地層令其轉化為惰性固體礦物，可能可以從大氣中去除大量二氧化碳。[20][21]

另外有近年的研究預計一立方米的多孔玄武岩可封存47公斤的二氧化碳。[22]根據這些預計，需要大概9.86×109立方公里的玄武岩來封存金星大氣中所有的二氧化碳，這等於金星21.4公里深的地殼的體積。另一項研究指出在最佳情況下，以立方米的玄武岩平均可封存260公斤的二氧化碳。[23]金星的地殼大概有70公里（43英里）厚，並且有大量火山活動遺留的地表特徵。大約90%的地表是玄武岩，並有大約65%由火山熔岩平原鑲嵌而成。[24]因此，金星地殼應有大量的玄武岩岩層可作為碳匯之用。

近年的研究也顯示，在高溫高壓的環境下，地幔中最豐富的礦物二氧化矽可形成穩定的碳酸鹽，亦因此開啟了將二氧化碳封存在地幔中的可能性。[25]

引入氫氣 编辑

據保羅·伯奇（英语：Paul Birch (writer)），可將氫氣投入金星使其與大氣中的二氧化碳進行博施反應產生碳（石墨）和水。此過程需要大約4×1019氫氣以將金星大氣完全轉化，這麼大量的氫氣可取自氣態巨行星或它們的衛星的水冰。[26]另一個可行的氫氣來源是自金星本身的內部。根據研究，地球的地幔及地核將可能存有地球自星雲形成所遺留的大量氫。[27][28]由於普遍認為地球與金星的形成和構造相似，同樣的情況可能亦適用於金星。同時，這個方案也需要向大氣中加入鐵懸浮物以進行反應，這些鐵可能可從水星、小行星或月球獲得。

剩餘的大氣的壓力將降至大約3巴（大約地球的三倍），並主要由氮氣構成。這些氮氣會因亨利定律溶解上述反應所產生的新海洋中，減低大氣壓力。氮也可以被轉化為硝酸鹽以進一步降低大氣壓力。

未來學家以撒·亞瑟（英语：Isaac Arthur）提出可直接從太陽提取物質，並以氫離子粒子束射向金星，因此也被名為「氫離子炮」（英語：Hydro-cannon）。這個裝置可以被用作去除金星的大氣外，也可引入可與二氧化碳產生反應以產生水的氫，進一步降低大氣壓力。[29]

直接去除部分大氣 编辑

去除金星的部分大氣可透過不同途徑達成，或可同時進行。直接使金星大氣中的氣體流失至太空的方式可能會相當困難。金星的逃逸速度夠高，使用小行星撞擊將大氣炸開變得不可行。 波拉克和薩根在 1994 年計算出，直徑700公里的撞擊物以超過每秒20公里的速度撞擊金星可在撞擊點噴射出地平線以上的所有大氣層，但這只會移除不到千分之一的大氣；隨著大氣密度的降低，收益亦將遞減，因此會需要大量的此類巨型撞擊物。[30]蘭迪斯算出即使每次撞擊都完美達到目標效果，要將大氣壓力從92巴降至1巴會需要最少兩千次撞擊。較小的物體也不是辦法，因為會需要更多這樣的物體。暴力的轟炸也很可能導致大量的排氣並補回被去除的大氣。 大部分被噴出的大氣層會進入金星附近的繞日軌道，在沒有進一步干預的情況下，可能會被金星引力場捕獲並再次成為大氣層的一部分。[3]

遮擋陽光降溫 编辑

金星接收到的陽光大約是地球的兩倍，這曾被認為是金星失控的溫室效應的原因之一。其中一個將金星地球化的方法需要透過減少金星地表接收到的日照量以防金星重新升溫。

太空遮陽板 编辑

一個置於太陽－金星L1拉格朗日點的太空遮陽板（英语：Solar shade）可減少金星接收的日照和輻射量，在某個程度上使金星降溫，也有阻擋太陽風的作用。[31]這個遮陽板的直徑要比金星本身大三倍，因此需要在太空中進行建造工程。此外，要在日－金拉格朗日點將一個與太陽射線垂直、非常薄的遮陽板維持與入射輻射壓的平衡有困難，可能會使遮陽板變成一個巨型太陽帆。如果只是簡單地將遮陽板置於L1點，輻射壓會對向日面施力使其加速並偏離軌道。一個替代方案是把遮陽板置於更靠近太陽的位置，以太陽的輻射壓來平衡重力，使其成為一個靜態衛星。

另有一些L1遮陽板的變體可解決變成太陽帆的問題。其中一個被提出的方法是行走繞極軌道、向日鎖定的鏡面將金星背日面的陽光反射至遮陽板的對面。光子壓力會將鏡面推至與朝日面構成30度角。[2]

保羅·伯奇（英语：Paul Birch (writer)）建議可在接近日－金L1點的位置設置一個板條式的鏡面系統。這個版本的遮陽板的鏡面不會與太陽射線垂直，而是成30度角，使反射的光會擊中另一鏡面，抵消光子壓力。每一排接續的鏡面面板將偏離30度偏轉角正負1度，令反射的光偏離金星4度。[26]

遮陽板也可被用作太陽能發電。太空遮陽板技術以至整體的薄片太陽帆都仍在早期發展階段。這些設施之大使其所需的材料比起任何曾被送上太空或在太空建造的人造物體多很多。

設於大氣或地表的遮陽設施 编辑

另外，也可在金星的大氣層中設置反射器以令金星降溫。在外大氣層中漂浮的反光氣球可產生陰影。這些氣球的大小和數量都將會很大。傑弗里·蘭迪斯層提出如果建造了足夠的懸浮城市，可在金星周圍形成一個遮陽結構，亦可同時用作將大氣轉化為更理想的狀態，使用可擴展的技術結合太陽屏蔽和大氣處理理論，同時可在金星大氣中立即提供生活空間。[32]

由於金星表面完全被雲層覆蓋，幾乎完全沒有陽光可以照射到表面，所以在地表或雲層下放置淺色或反光的物料增加反照率並不會奏效。因此，不太可能比起金星本身球面反照率達0.77的雲層反射更多光線。[33]

遮陽板和大氣凝固的組合 编辑

伯奇提出遮陽板不單可冷卻進行，也可同時凝固大氣中的二氧化碳，以減低大氣壓力。[26]這需要先降低金星的溫度至二氧化碳的液化點304.128(15) K[34]（30.978(15) °C或87.761(27) °F）或以下，以及將大氣壓力降低至73.773(30) 巴[35]（二氧化碳的臨界點）；並從此再降低溫度至216.592(3) K[36]（−56.558(3) °C或−69.8044(54) °F，二氧化碳的三相點）以下。在該溫度以下，大氣中的二氧化碳將凝固成乾冰並凝華在表面上。他並提出可將固體二氧化碳埋藏並以壓力維持在該狀態，或直接將運送走（或可作為火星或木星衛星的地球化所需的溫室氣體）。

這個過程結束後，可移除遮陽板或增設鏡面，容許金星重新升溫達到能讓地球的生物生存的溫度，但仍然需要氫和水的供應，大氣中也仍然有大概3.5巴的氮氣需要被固化在土壤中。伯奇提出可用土星的冰衛星（例如土衛七）的碎片轟炸金星。

通過熱管、大氣渦流發動機或輻射冷卻來冷卻金星 编辑

保羅·伯奇建議，除了在L1用遮陽板冷卻金星外，還可以在金星上建造「熱管」來加速冷卻。這些熱管可將熱量從地表傳導到大氣中較高較冷的區域，類似於太陽能上升氣流塔（英语：Solar updraft tower），從而將多餘的熱能放射出太空。[26]該技術近期被建議的一種新變體是大氣渦流引擎（英语：Vortex engine），其中不是以實體煙囪管，而是透過產生渦流二形成上升的大氣氣流，類似於靜止的龍捲風。這種方法除了物料消耗更少且可能更具成本效益外，這個過程還產生淨剩餘能量，可作為火星殖民地或地球化工作的能源來源。另一種冷卻金星的方法是使用輻射冷卻的技術[37]。在某些波長下，來自金星底層大氣的熱輻射可以通過局部透明的大氣「窗口」「逃逸」到太空中。[38]納米光子學和超材料的構建開闢了通過適當設計週期性納米／微米結構來定制表面發射光譜的新可能性。[39][40]最近有人提出了一種名為「發射能量收集器」的裝置，可以通過輻射冷卻將熱量傳導到太空，並將部分熱流轉化為淨餘能量[41]，形成可指數式幅度降溫金星的循環。

另見 编辑

參考文獻 编辑

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外部連結 编辑

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