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用户:LuciferianThomas/沙盒/金星地球化

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金星地球化的构想效果。云层的形状是假设金星的自传速度未有增加

金星地球化是构想中将金星改造成人类可居住的环境。[1][2][3]金星地球化的学术性构想最先由天文学家卡尔·萨根在1961年提出[4]，但此前在虚构作品中，一些虚构的地球化方案曾被提出过。将金星环境调整至可支援人类生活需要在最少三个方面去改造金星的大气层：[3]

  1. 降低金星737 K（464 °C；867 °F）的地表温度[5]；
  2. 移除金星压强高达9.2兆帕斯卡尔（91标准大气压）、主要由二氧化碳和二氧化硫构成的浓密大气层，或将其转化为其他形态；
  3. 向大气中添加供呼吸用的氧气。

这三个改造步骤密切相关，因为金星极高的温度正是由非常高压的浓密大气和温室效应造成的。

历史

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早在1950年，伊曼纽尔·维利科夫斯基（英语：Immanuel Velikovsky）已经预测金星的大气可能是非常热的，但在1960年代之前，很多天文学家都认为金星大气层的温度跟地球相似。[6]当科学家发现金星的大气层主要由极浓密的二氧化碳构成，并因此有很强的温室效应的时候[7]，部分科学家开始考虑将金星的大气改造成跟地球的相类似。金星地球化这个构想在1961年由天文学家卡尔·萨根在学术期刊《科学》发表的文章的最后一节中提出，当中讨论了金星的大气和温室效应。[4]萨根提出把能进行光合作用的细菌注入金星的大气层内，将二氧化碳转化为有机形式的还原碳，从而减少大气中的二氧化碳。

不幸的是，萨根在1961年提出他最初的金星地球化方案构想时，科学界对金星的大气的了解不太准确。33年后在他1994年的著作《暗淡蓝点》中，萨根承认他当初的地球化方案不会奏效，因为金星的大气远比1961年时所认知的要浓密得多： [8]

这是指明的缺陷：1961年的时候我以为金星的大气压强只有数巴……我们现在知道实际上它是90巴，如此就算计划奏效，金星表面会被几百米深的精细石墨覆盖，而大气就会由65巴的几乎纯氧气构成。我们可能会先在大气压强下内爆，或是在高浓度氧气的大气中自燃。然而，在积累这么多氧气前，[金星表面的]石墨也会瞬间自燃变回二氧化碳，导致这个过程作废。

在萨根发表该论文后，关于这个构想概念的科学研讨不多，直到1980年代才重新引起人们对此的兴趣。[9][10][11]

曾被提出的金星地球化方案

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马丁·J·福格（英语：Martyn J. Fogg）（1995）[2][12]和杰弗里·兰迪斯（2011）[3]审视了数个金星地球化的方案。

去除稠密的二氧化碳大气

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现时金星的环境中对地球化最大的障碍是金星非常稠密的二氧化碳大气。在金星地面的大气压强达到9.2兆帕斯卡尔（91标准大气压；1,330磅力每平方英寸）。同时，由于温室效应的关系，金星地表温度比任何显著的生物可生存的温度范围高出好几百度。因此，所有金星地球化的方案都包含某种从大气中移除差不多所有二氧化碳的操作。

生物方式

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卡尔·萨根在1961年提出的方案涉及使用经过转基因的藻类将大气中的二氧化碳进行碳固定并转化成有机化合物。[4]虽然这个方法仍在金星地球化的讨论上被提出[11]，后来的研究发现单靠生物方式不会奏效。[13]

其中一个问题在于将二氧化痰转换为其他有机化合物的生物化学过程需要在金星上很稀有的氢气。[14]由于金星缺乏磁层保护，上层大气直接暴露于太阳风的侵蚀下，大气中的氢也因此流失到太空中。此外，如同萨根所言，任何在有机化学物中的碳会很快被炽热的地表再度转换回二氧化碳。[8]在移除大部分二氧化碳之前，金星都不会开始冷却。

虽然单独透过引入光合细菌群已被普遍认为不是金星地球化的可行做法，但在其他地球化方案中，也有包含使用光合细菌群或蓝藻来制造氧气，以让生物能在金星进行呼吸。[15]

封存为碳酸盐

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在地球上，几乎所有的碳都以碳酸盐矿物的形式或在碳循环的不同阶段被封存，而大气中仅有极少以二氧化碳的形式存在的碳。金星的情况则是相反的，大部分的碳都存在于大气层，相对而言被封存在岩石圈的碳就比较少。[16]因此，很多金星地球化的方案都包含将二氧化碳以碳酸盐形式封存。

在天文生物学家马克·布洛克和大卫·格林斯彭（英语：David Grinspoon）所推算的金星大气演变模型中显示现时金星的92巴大气和地表上的矿物（尤为氧化钙和氧化镁）的化学平衡并不稳定，而这些矿物可透过化学反应将二氧化碳转化为碳酸盐封存。在地表上的矿物已经全数进行过化学反应转化为碳酸盐后，金星的温度也会随着大气压强降低。布洛克和格林斯彭的模型的其中一个可能的终态中，金星的大气压强可降至43巴（620磅力每平方英寸），地表温度也可降至400 K（127 °C）。[16]在处理大气中剩余的二氧化碳时，需要将大片的地壳人为地暴露在大气中以容许进一步的碳酸盐转化。1989年，亚历山大·G·史密斯提出可透过翻开岩石圈以让更多部分的地壳被转换为碳酸盐。[17]杰弗里·迪斯在2011年指出可能需要用上一千米深的地壳岩石才有足够表面面积的岩石以封存大气中的二氧化碳。[3]

从矿物和二氧化碳自然生成碳酸盐岩是一个非常慢的过程，但近期有关于应对地球上全球变暖的研究指出通过使用聚苯乙烯微球等催化剂，将二氧化碳固存为碳酸盐矿物的过程可被大幅加快（从数百至数千年减至仅仅75天）。[18]因此，相似的技术也被认为可被用在金星地球化上。此外，将矿物质和二氧化碳转化为碳酸盐的化学反应是放热的，过程中产生的能量比反应消耗的能量多，因此这个反应可能会形成正循环而令反应速率指数式增长，直至大气中大部分的二氧化碳已被转换。

另一个被提出的方案是以外来的镁和钙细粉轰击金星，并以碳酸钙和碳酸镁的形式封存二氧化碳。将金星大气中的所有二氧化碳转换需要大约8×1020千克的钙或5×1020千克的镁，这将需要大量的采矿和精炼，地壳中蕴含丰富矿物质的水星可能会成为这些矿物的来源。[19]8×1020千克是直径500千米（310英里）的小行星灶神星的质量的数倍。

注入火山玄武岩

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近年在冰岛和美国华盛顿州进行的研究计划显示，通过将二氧化碳高压注入地下多孔玄武岩地层令其转化为惰性固体矿物，可能可以从大气中去除大量二氧化碳。[20][21]

另外有近年的研究预计一立方米的多孔玄武岩可封存47千克的二氧化碳。[22]根据这些预计，需要大概9.86×109立方千米的玄武岩来封存金星大气中所有的二氧化碳，这等于金星21.4千米深的地壳的体积。另一项研究指出在最佳情况下，以立方米的玄武岩平均可封存260千克的二氧化碳。[23]金星的地壳大概有70千米（43英里）厚，并且有大量火山活动遗留的地表特征。大约90%的地表是玄武岩，并有大约65%由火山熔岩平原镶嵌而成。[24]因此，金星地壳应有大量的玄武岩岩层可作为碳汇之用。

近年的研究也显示，在高温高压的环境下，地幔中最丰富的矿物二氧化硅可形成稳定的碳酸盐，亦因此开启了将二氧化碳固存在地幔中的可能性。[25]

引入氢气

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据保罗·伯奇（英语：Paul Birch (writer)），可将氢气投入金星使其与大气中的二氧化碳进行博施反应产生碳（石墨）和水。此过程需要大约4×1019氢气以将金星大气完全转化，这么大量的氢气可取自气态巨行星或它们的卫星的水冰。[26]另一个可行的氢气来源是自金星本身的内部。根据研究，地球的地幔及地核将可能存有地球自星云形成所遗留的大量氢。[27][28]由于普遍认为地球与金星的形成和构造相似，同样的情况可能亦适用于金星。同时，这个方案也需要向大气中加入铁悬浮物以进行反应，这些铁可能可从水星、小行星或月球获得。

剩余的大气的压强将降至大约3巴（大约地球的三倍），并主要由氮气构成。这些氮气会因亨利定律溶解上述反应所产生的新海洋中，减低大气压强。氮也可以被转化为硝酸盐以进一步降低大气压强。

未来学家以撒·亚瑟（英语：Isaac Arthur）提出可直接从太阳提取物质，并以氢离子粒子束射向金星，因此也被名为“氢离子炮”（英语：Hydro-cannon）。这个装置可以被用作去除金星的大气外，也可引入可与二氧化碳产生反应以产生水的氢，进一步降低大气压强。[29]

直接去除部分大气

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去除金星的部分大气可透过不同途径达成，或可同时进行。直接使金星大气中的气体流失至太空的方式可能会相当困难。金星的逃逸速度够高，使用小行星撞击将大气炸开变得不可行。 波拉克和萨根在 1994 年计算出，直径700千米的撞击物以超过每秒20千米的速度撞击金星可在撞击点喷气出地平线以上的所有大气层，但这只会移除不到千分之一的大气；随着大气密度的降低，收益亦将递减，因此会需要大量的此类巨型撞击物。[30]兰迪斯算出即使每次撞击都完美达到目标效果，要将大气压强从92巴降至1巴会需要最少两千次撞击。较小的物体也不是办法，因为会需要更多这样的物体。暴力的轰炸也很可能导致大量的排气并补回被去除的大气。 大部分被喷出的大气层会进入金星附近的绕日轨道，在没有进一步干预的情况下，可能会被金星引力场捕获并再次成为大气层的一部分。[3]

遮挡阳光降温

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金星接收到的阳光大约是地球的两倍，这曾被认为是金星失控的温室效应的原因之一。其中一个将金星地球化的方法需要透过减少金星地表接收到的日照量以防金星重新升温。

太空遮阳板

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一个置于太阳－金星L1拉格朗日点的太空遮阳板（英语：Solar shade）可减少金星接收的日照和辐射量，在某个程度上使金星降温，也有阻挡太阳风的作用。[31]这个遮阳板的直径要比金星本身大三倍，因此需要在太空中进行建造工程。此外，要在日－金拉格朗日点将一个与太阳射线垂直、非常薄的遮阳板维持与入射辐射压的平衡有困难，可能会使遮阳板变成一个巨型太阳帆。如果只是简单地将遮阳板置于L1点，辐射压会对向日面施力使其加速并偏离轨道。一个替代方案是把遮阳板置于更靠近太阳的位置，以太阳的辐射压来平衡引力，使其成为一个静态卫星。

另有一些L1遮阳板的变体可解决变成太阳帆的问题。其中一个被提出的方法是行走绕极轨道、向日锁定的镜面将金星背日面的阳光反射至遮阳板的对面。光子压强会将镜面推至与朝日面构成30度角。[2]

保罗·伯奇（英语：Paul Birch (writer)）建议可在接近日－金L1点的位置设置一个板条式的镜面系统。这个版本的遮阳板的镜面不会与太阳射线垂直，而是成30度角，使反射的光会击中另一镜面，抵消光子压强。每一排接续的镜面面板将偏离30度偏转角正负1度，令反射的光偏离金星4度。[26]

遮阳板也可被用作太阳能发电。太空遮阳板技术以至整体的薄片太阳帆都仍在早期发展阶段。这些设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体多很多。

设于大气或地表的遮阳设施

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另外，也可在金星的大气层中设置反射器以令金星降温。在外大气层中漂浮的反光气球可产生阴影。这些气球的大小和数量都将会很大。杰弗里·兰迪斯层提出如果建造了足够的悬浮城市，可在金星周围形成一个遮阳结构，亦可同时用作将大气转化为更理想的状态，使用可扩展的技术结合太阳屏蔽和大气处理理论，同时可在金星大气中立即提供生活空间。[32]

由于金星表面完全被云层覆盖，几乎完全没有阳光可以照射到表面，所以在地表或云层下放置浅色或反光的物料增加反照率并不会奏效。因此，不太可能比起金星本身邦德反照率达0.77的云层反射更多光线。[33]

遮阳板和大气凝固的组合

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伯奇提出遮阳板不单可冷却进行，也可同时凝固大气中的二氧化碳，以减低大气压强。[26]这需要先降低金星的温度至二氧化碳的液化点304.128(15) K[34]（30.978(15) °C或87.761(27) °F）或以下，以及将大气压强降低至73.773(30) 巴[35]（二氧化碳的临界点）；并从此再降低温度至216.592(3) K[36]（−56.558(3) °C或−69.8044(54) °F，二氧化碳的三相点）以下。在该温度以下，大气中的二氧化碳将凝固成干冰并凝华在表面上。他并提出可将固体二氧化碳埋藏并以压强维持在该状态，或直接将运送走（或可作为火星或木星卫星的地球化所需的温室气体）。

这个过程结束后，可移除遮阳板或增设镜面，容许金星重新升温达到能让地球的生物生存的温度，但仍然需要氢和水的供应，大气中也仍然有大概3.5巴的氮气需要被固化在土壤中。伯奇提出可用土星的冰卫星（例如土卫七）的碎片轰炸金星。

通过热管、大气涡流发动机或辐射冷却来冷却金星

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保罗·伯奇建议，除了在L1用遮阳板冷却金星外，还可以在金星上建造“热管”来加速冷却。这些热管可将热量从地表传导到大气中较高较冷的区域，类似于太阳能上升气流塔（英语：Solar updraft tower），从而将多余的热能放射出太空。[26]该技术近期被建议的一种新变体是大气涡流发动机（英语：Vortex engine），其中不是以实体烟囱管，而是透过产生涡流二形成上升的大气气流，类似于静止的龙卷风。这种方法除了物料消耗更少且可能更具成本效益外，这个过程还产生净剩余能量，可作为火星殖民地或地球化工作的能源来源。另一种冷却金星的方法是使用辐射冷却的技术[37]。在某些波长下，来自金星底层大气的热辐射可以通过局部透明的大气“窗口”“逃逸”到太空中。[38]纳米光子学和超材料的构建开辟了通过适当设计周期性纳米／微米结构来定制表面发射光谱的新可能性。[39][40]最近有人提出了一种名为“发射能量收集器”的装置，可以通过辐射冷却将热量传导到太空，并将部分热流转化为净余能量[41]，形成可指数式幅度降温金星的循环。

另见

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参考文献

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外部链接

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