摘要：未来几十年，有多个计划利用机器人和载人飞行器探索火星。这些任务的最终目的都是帮助人类确定，在未来某一天我们能否在火星上生活。这需要保证建筑材料、水、尖端制造技术，以及具有生物再生生命保障的闭环生态系统。简单来说，未来的定居者需要创造一个像地球那样能自给自足的生
如何快速提高火星温度
未来几十年，有多个计划利用机器人和载人飞行器探索火星。这些任务的最终目的都是帮助人类确定，在未来某一天我们能否在火星上生活。这需要保证建筑材料、水、尖端制造技术，以及具有生物再生生命保障的闭环生态系统。简单来说，未来的定居者需要创造一个像地球那样能自给自足的生态系统。本质上，其实是我们要把地球“带上”其他星球。
长远看来，这些努力可以覆盖整个星球，把火星打造成“类地”星球。这个过程叫做“地球化”，并且在过去的五十年，人们已经提出了很多计划。在一项最近的研究中，一个跨学科研究组指出一种给火星大气层加热的新方法，即使用石墨烯和金属铝的纳米级气溶胶。他们的发现表明，火星大气动力和辐射过程让人工制造气溶胶变暖变得可能，而这个过程组成打造“地球化”火星的第一步。
这项研究的领头人是芝加哥大学的埃文凯特（Edwin S. Kite）副教授，他也是好奇号科研组的一员。随后，地球科学的风成研究组、西北大学、弗罗里达中央大学、麻省理工学院海斯塔克天文台、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国宇航局喷气推进实验室的研究人员也相继加入了他的研究。描述他们成果的论文最终在2025年的月球和行星科学峰会上发表。
归根结底，要使火星适宜生存包括三个相互关联的步骤。这就是说其中任何一个步骤的改变都会牵动其他的步骤。这三个方面包括提升大气温度、增厚大气层、融化极地冰盖和永久冻土。通过提升行星的温度，极地冰盖和永久冻土就会融化然后产生液态水，水流到行星表面然后再蒸发到大气层。
两极冰盖地区存在的丰富干冰会升华释放额外的二氧化碳到大气层，进一步加剧气候变暖。正如Kite 写给今日宇宙的邮件解释的那样：
火星升温的关键在于气候正反馈。随着行星的升温，极地的干冰层和土壤中吸附的二氧化碳都会升华，大气层随着变厚且会有更多的水蒸汽。这就通过温室效应加强了行星大气层的保暖工作，从而释放出更多的水蒸汽。这就是牵一发动全身，相互关联的道理。
罗伯特祖布林在这个网站里说明道：这个过程将会使大气压达到300毫巴（相当于地球海平面大气压的30%）。这个气压足够让人们不穿增压服就可以站在外面，尽管他们仍需温暖的衣服和氧气。为了实现第一步，很多提议被提出了，这些提议包括分布低反射率物质或者行星到极地冰盖上空，以及给大气层填满氯氟化碳和氨气，还有从火星采集并增加二氧化碳或者甲烷到大气层里，或者从其他天体进口，如地球，金星，或者泰坦星。这些提议将需要关于资源和重要技术上的进展。之前的提议常常依赖于从地球引进大量气体或者采集稀有的火星资源，凯特补充道。这些方法面临着巨大的后勤上的和经济上的障碍。
另外，很多提议需要巨量的原料去实现有意义的大气变暖，气溶胶从另一方面来说是一种经济型的方法来增加火星上的大气温度。然而，关于火星的大气动力学如何受温室气体或者气溶胶导致的变暖影响，以及变暖又如何反过来受大气动力学影响，仍有一些问题亟待解决。像他们在论文里陈述的那样，这些包括：1.气溶胶一般位于多高的地方？2.它们能分散多广？3.它们在释放点会改变当地天气吗？4.它们多久才能使大气层恢复稳定状态？5.释放的地点重要吗？
之前的研究已经检测过火星上的气溶胶反馈，气溶胶总是周期性地被季节性的沙尘暴激起。研究员们的工作也开展于西北大学，工作被一个叫安萨里的博士后学生带领，这个团队包括凯特和他的最新论文的几个共同作者。在那个论文里这个团队考虑纳米微粒如何在火星上的资源可以使大气层变暖的情况下被制造出来。像凯特解释的："我们论文中建议的方法涉及到释放改造过的纳米微粒进入到火星大气层。这些微粒被设计来捕获热量，增强温室气体效应，你确实可以认为这是一种资源利用的形式，因为纳米微粒可以被火星上轻而易举地获得的原料制造出来。"
在这项最新研究中，研究团队联合使用了MarsWRF模型（其为由NCAR开发的WRF模型[1]的改良版本）与GCM羽流追踪模型[2]。后者基于该团队之前追踪火星甲烷[3]羽流的研究成果。这些气溶胶会在中红外（MIR）光谱中具体约10和20微米（μm）的波段吸收和散射光。
结合自然尘埃的时变模拟，他们的结果显示这些羽流将在一年内传播到全球并使火星上层大气增厚。研究团队计算出在以每秒2升（0.5加仑/秒）的速度释放气溶胶时，火星的温室效应将增加一倍，其温度将上升5开尔文（5°C；9°F）。然而，一旦气溶胶不再释放，这种变暖就将停止。但如果持续释放纳米颗粒，火星大气温度可在 10 年内上升超过35 K。
这种变暖足以引发极地融化，使大气增厚并导致进一步变暖。研究团队计算出由此产生的变暖将使大气环流加倍，其中暖湿空气在赤道附近上升、冷却后在较高纬度下降（“哈德利环流[4]”）。太阳光照射区域与极地区域之间更陡的温差梯度将使近地表风速加倍，这与地球上CO₂引起的变暖反应相反。
这些更强的地表风将扬起更多尘埃，因为尘埃降低了昼侧的温度，这会形成一个潜在的负反馈机制。极冠[5]中CO₂的升华（它造成了大多数季节性沙尘暴的形成）可能会减轻这一影响。但巨大挑战仍然存在，还需要进一步研究以涵盖其他因素，例如气溶胶和尘埃颗粒的集聚以及火星的水循环。尽管如此，研究团队推出结论，人工设计的气溶胶将是地球化改造火星的关键第一步。
“这只是一个初期概念，”Kite表示，“如果证明可行，它将有可能使得火星环境更易于探索和研究。最终理想的目标是在火星表面建立一个光合生物圈。”他们的提案也在2024年4月15日至16日于加利福尼亚州帕萨迪纳举办的2024年火星地球化改造研讨会论文集中发表。
[1]The Weather Research and Forecasting (WRF) 是一种先进的中尺度模型，用于研究和运营预测，其双重用途是关键设计特点，旨在加速新的科学和建模发明在实际预报中的应用。
[2]Numerical models (General Circulation Models or GCMs)用于描述大气、海洋、冰冻圈和陆地表面的物理过程，使用覆盖全球的三维网格描绘气候，是目前可用于模拟全球气候系统对温室气体浓度增加的反应的最先进工具。
[3]甲烷很可能标志着生命和地质运动的存在，比如说在地球上，大气中95%的甲烷都来自生物反应过程。微量气体占据火星大气不到百分之一的体积。科学家曾多次在火星上发现甲烷。这些报告包括2003年甲烷羽流的望远镜照片，以及2012年美国宇航局“好奇”号火星车在盖尔陨石坑着陆后偶然发现的甲烷痕迹，TGO(ExoMars Trace Gas Orbiter是欧洲太空总署和俄罗斯航太国家集团合作的ExoMars计划中的一部分)于2016年抵达火星，并于2018年4月开始收集大气数据，TGO发现甲烷含量的上限为0.05 ppbv，比此前报道的所有检测结果都要低上10到100倍。
[4]哈德利环流(the Hadley cell)是一种全球规模的热带大气环流，其特点是空气在赤道附近上升，在对流层顶附近、距地球表面 12 至 15 公里（7.5 至 9.3 英里）的高度向极地流动，在北纬 25 度左右的亚热带地区冷却并下降，然后返回赤道附近。类似的环流也可能出现在地外大气中，例如金星和火星。
[5]火星的两极有极冠 (polar caps)，含有多层凝固的干冰覆盖着固态水。
BY：universetoday
FY：Astronomical volunteer team
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来源：天文在线