《火星生存指南》 #86
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第二章更新啦~第三章筹划中...... 可能是最全的火星生存指南——第二章：工程技术篇在上一篇指南中，我们向您介绍了最基本的火星地理、天文以及气候知识，这些基本知识能够帮助您在火星上确定位置、找到合适的前进目标以及方向，对于您在火星上的生存至关重要。 在本章的指南中，我们将结合即将上映的科幻大作《火星救援》及其同名小说中的一些情节，向您介绍在火星提高生存概率所需要的工程技术。 生存设施的利用在尚未地球化的火星上生存，以下几样装置或设备是不可或缺的。
氧气发生器对于国际空间站（ISS）上的宇航员来说，氧气发生器能够为他们提供持续的氧气补给。ISS 上的氧气发生器使用了电解水反应来生成氢气与氧气，多余的氢气要么排放到太空中，要么通过萨巴蒂尔反应，与二氧化碳再一次生成水和甲烷。除此之外，在紧急情况下，空间站内的宇航员还可以使用备用的 Vika 固体氧气发生器来快速产生所需氧气。Vika 发生器使用了高氯酸锂，这种不稳定的物质在加热到 400℃ 后可以生成氯化锂与大量的氧气。 不过，火星上使用的氧气发生器原理却有所不同。由于火星大气中有充足的二氧化碳，NASA 的科学家们计划直接使用这些二氧化碳资源生成氧气。
MOXIE 是 Mars Oxygen ISRU Experiment（火星氧气就地资源利用实验）的简称，这个模块将被搭载在 Mars 2020 上进行氧气生产实验。 MOXIE 的基本原理是利用的“固态氧化物电解反应（Solid Oxide Electrolysis）”，这相当于是一个逆向的燃料电池。在一般的燃料电池中，一氧化碳与氧气能够产生电能与二氧化碳。但是 MOXIE 却使用二氧化碳与电能，通过“固态氧化物电解反应”来产生氧气。这样做的好处在于无需浪费火星上宝贵的水资源进行氧气的生产。 二氧化碳吸收器在国际空间站中，CRDA（Carbon Dioxide Removal Assembly，二氧化碳清除装置）被用来除去舱内的二氧化碳。与其他载人航天器中使用氢氧化锂来除去二氧化碳的方法不同，CRDA 最显著的特点在于其可重复使用性。CRDA 利用了沸石（Zeolite）作为分子筛（Molecular Sieve）来吸附空气中水与二氧化碳，并通过再次加热将其排入太空。 以下剧透预警 Watney 在最后前往 MAV 的途中，消除二氧化碳的方法则显得更为简单。他没有使用任何化学方法，而是直接将火星车内的气体泵入空气循环器中，空气循环器在降温之后将凝固点较高的二氧化碳与其他气体分离出来，从而消除了空气中的二氧化碳。 剧透结束 水回收系统不论是在火星还是在国际空间站上，水的回收方式都是相似的，主要采取的是物理方法。不论对于尿液、洗澡后的废水还是空气中多余的水蒸气，水回收装置都可以经过一系列的过滤与蒸馏将可饮用的水提取出来。 温度控制系统温控系统一般是通过对空气进行加热或冷却来稳定舱内的温度。 以下剧透预警 为了最大限度地节省能源、Watney 在长时间驾驶火星车的过程中关闭了车内的温控系统，而使用放射性同位素热电机（RTG）来维持车内的温度。 剧透结束 实际上，RTG 广泛应用于各类深空探索任务中。不管是阿波罗登月任务，还是正在火星上探（mai）测（meng）的好奇号，抑或是即将在 2020 年发射的 Mars 2020，都使用了 RTG 来提供电能。 得到最广泛应用的 RTG 使用了钚-238（Plutonium-238）的放射性衰变来产生能源。RTG 使用了热电偶将热能转化为电能，其转化效率很低，一般来说只有 3% ~ 7%。RTG 中得大部分能量都以热量的形式耗散掉了，因此 Watney 选择使用 RTG 来取暖是完全行得通的。 不过，RTG 的辐射会对人体产生多少不利的影响呢？ 如果完好无损的话，RTG 周围的防护层可以有效地隔离辐射。此外，RTG 中通过衰变释放的 α 粒子穿透能力相当弱，仅仅能穿透几厘米厚的空气而无法穿透衣物或者人的皮肤。 Ares 与“火星直击”在《火星救援》的后记中，作者 Andy Weir 曾经提到：书中设定的整个载人火星项目的结构和一个叫做“火星直击（Mars Direct）”的计划非常相似，不过作者对这个计划进行了一些修改。这个计划也很有可能成为人类史上第一个真正的载人火星任务。 “火星直击”计划来源于罗伯特·祖布林（Robert Zubrin）关于载人火星任务的创想，他在自己的畅销书《赶往火星》（The case for Mars）中详细地阐述了该计划的各个细节，包括发射计划、火星表面生存、燃料生产、返回地球的论证等等。 《火星救援》中的 Ares 任务同样也使用了类似于“火星直击”的就地燃料生产（In-Situ Propellant Production，简称 ISPP）技术。该技术是利用火星大气中广泛存在的二氧化碳（体积分数约为 96%）资源，结合从地球上带来的氢，经过一系列的化学反应（主要包括萨巴蒂尔反应：CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O，电解水反应：2 H2O → 2 H2 + O2，逆向水气转移反应：CO2 + H2 → CO + H2O 等）生产甲烷与氧气作为离开火星表面所需的燃料。此外，燃料生产过程中多余的氧气也能提供给航天员所在生活舱使用。 除此之外，Ares 与“火星直击”的另一个相似之处在于其连续的任务规划。Watney 所在的是 Ares 3 任务，但是他离开火星时使用的却是 Ares 4 的 MAV（火星上升轨道器）。这是因为，对于每一个 Ares 任务，NASA 会提前一个发射窗口（通常是两年多一点）发射该次任务将会使用的着陆器和 MAV 着陆在预计的任务地点。只有在确保了在接下来的时间里 MAV 的燃料生产过程一切正常后，才会发射此次 Ares 任务的航天员前往火星。 不过，一个与“火星直击”明显的区别之处在于，Ares 任务中使用了一个庞大的地火转移飞船——Hermes。Hermes 飞船由离子引擎驱动，并有旋转重力舱室。不过，不论从航天器的复杂程度、还是离子引擎的推力上来看，Hermes 飞船都是远超设定背景中的人类科技水平的。 为什么在这份指南中如此详细地向您介绍载人火星任务？这其实对于您在火星上的生存也很关键。如果您恰巧是在执行类似“火星直击”的任务，那么您很有可能像 Watney 一样找到附近可以使用 MAV 离开红色星球。不过，如果您是由于其他原因，比如说旅游飞船坠毁而遗落火星的话，那么就请您使用以下方法与地球取得联系，并耐心等待来自地球的救援。 与地球联系在火星尚未被完全开发的 21 世纪前半叶，从火星表面与地球进行双向通讯并不是一件容易的事。对于执行科学任务的火星车来说，与地球取得联系有两条途径。在“面朝地球”时，火星车能够直接与地球的深空网络（DSN）取得联系。而在“背对地球”时，火星车也能通过火星轨道卫星（如火星勘测轨道飞行器以及火星奥德赛号）与地球进行通讯。 相比直接与地球通讯，使用火星轨道卫星进行信号中转能够降低通讯所需的能量，也能够显著提高通讯效率。这是因为火星表面距离轨道卫星仅仅几百公里，而距离地球却有一亿公里之多。如果您的通讯设备功率不足的话，请首先考虑连接上这些火星轨道卫星。（详见：http://mars.nasa.gov/msl/mission/communicationwithearth/communication/） 如果您的通讯设备已经损坏，附近也没有可以利用的火星探测器的话，那么请先考虑单向通讯，尽快将您的受困情况报告给地球。目前来看，唯一的单向通讯方式是在松软的火星沙土表面拖曳文字并等待成像卫星进行拍摄。 火星表面成像分辨率最高的卫星是火星勘测轨道飞行器（简称 MRO）。MRO 的分辨率可达到每像素 30~60 厘米，这使得科学家们可以辨别火星上尺寸达 1 米的物体。
以下剧透预警 在《火星救援》中，Watney 是在通过火星探路者与地球取得联系之后，才知道自己之前的一举一动都被 NASA 的成像卫星实时监视着。在第二次与 NASA 失联之后，Watney 也只能用拖曳文字的方法单方面地向 NASA 简短地报告自己的状态。 剧透结束 为了保证地球方面能够清晰地读取出您所传递的信息，请您在火星上拖曳出宽度为半米到一米的轨迹，并保证每个文字的尺寸在 5 米以上。此外，使用英文进行信息传递可能比中文效率更高。如果您熟悉莫尔斯电码的话，可以通过拖曳出长度不同的点和线来传递您的受困信息，其中 SOS 的莫尔斯电码为三短三长三短（‧‧‧－－－‧‧‧）。 |
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发现了一个小 bug 是 |
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@emptymalei 已更改~ 我想了想，这个系列目前计划三篇文，还有一篇还没有坑出来......我觉得可以第一篇在上映前一天（24号）发，第二篇在上映两三天后发，第三篇综合一下前两篇的反馈结果再写？ |
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@ProtossProbe 上映前两天发比较好？这样给知乎日报和知乎机会来推这个文章？ |
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我把探测器遗址的一点内容加到了星际移民之书的火星旅游章节了。另外稍微加了个导言，这样看起来比较完善一些。 |
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对了，电影里面没有第二次失联吧。 |
最近开的一个坑......可能还会写很多其他的内容，参考了很多星际移民之书以及圆桌讨论的内容。
可能是最全的火星生存指南——第一章：基础知识篇
如果有一天，您像 Mark Watney 一样被独自遗弃在遥远的火星，您该怎么生存下来？《火星救援》（The Martian）一书的作者 Andy Weir 向我们展示了他想象中的“求生之路”，在让他笔下的男主角经历了重重考验与各种戏剧般的转折之后，Watney 终于登上了返程的飞船 Hermes 重回地球。
《火星救援》被很多人称为“现代版的鲁滨逊漂流记”，NASA 中的工程师和科学家也被这本书中所展现出来的“硬度”所折服。书中设计涉及的很多细节，诸如燃料生产、作物种植等等都进行了详细的计算，作者 Andy Weir 甚至自己设计了一个程序来计算 Hermes 飞行的轨道。
如果您由于意外被困于火星，而同时你也不叫 Taylor，没有一个全天候满电量的通讯器和另一边的 iPhone 进行联系，这个时候哪些必备的知识能够救您一命？
这一本《火星生存指南》可能会成为您迷失旅途上的必备伴侣。
火星地理
想要在火星上生存，首先就要拥有丰富的火星地理知识，才能保证您在火星上不当一个路痴。这时候，一幅高清准（wu）确（ma）的火星地形图就显得尤为重要。
与地球上的经纬度划分略有不同，火星上的本初子午线被定义为通过艾里-0陨石坑的经线。由于火星上面没有海洋，所以不存在海平面的说法，而是使用一个重力平均出来的基准高度作为火星的大地水准面（Areoid）。火星上不同地域海拔差别很大，整体海拔最低的希腊平原最深处低于基准面 8200 米，而享誉全系的盾状火山——奥林帕斯山海拔可以达到 21229 米。
此外，我们建议您对火星不同地域的地质结构也需要有一定的了解，这样才能保证您在火星上能够畅通无阻。
对于迷途的冒险者来说，奥林帕斯山以及塔尔西斯地区的地势十分陡峭，不建议您前往或者穿过这一区域。相较于陨石坑更多、地形更加复杂的火星南半球以及子午线高地来说，火星北半球的伊希地平原、乌托邦平原以及亚马逊平原可能路途更加通畅。而北方大平原由于气候条件恶劣，太阳能资源较少，除非是去获取必要的水冰资源，我们不建议您前往此地。
以下剧透预警
在《火星救援》中，Watney 先是前往不远处火星探路者及火星车“索杰纳”号所在的阿瑞斯谷，在取回了报废的火星车及着陆器后，通过维修和改装获得了同地球的无线电联系。之后他向东南方向前进，穿过马沃斯谷，从阿拉伯高地一路开到子午线平原的斯基亚帕雷利撞击坑，最终在这里登上了离开火星的 MAV（火星上升轨道器）。
如果您被困火星，附近刚好又有探测器的话，您也可以参照下面的地图，尝试前往最近的火星探测器遗迹，通过探测器与地球取得联系。不过需要注意的是，一切破坏探测器遗迹或者企图将探测器据为己有都是违反《太阳系和平开发与利用公法》的行为，将会受到最严厉的惩罚。
剧透结束
这么多的地理名称记不住怎么办，如果您的手机在火星上仍然可以使用的话，强烈推荐下载一个叫做 Mars Global 的 App 以备不时之需（另：被困月球可以下载 Moon Global）。您也可以下载由 NASA 提供的 Mars24使用其火星计时与地图查询功能
火星天文
火星的轨道半径大约 1.5 个天文单位（大约是地球轨道半径的 1.5 倍），因此在火星轨道上，接收到的太阳能的功率密度不及地球轨道的一半。火星的平均半径为 3389.5 千米，是地球半径的 53.2%，质量只有地球质量的 10.7%。火星的表面重力不到地球表面重力加速的一半，仅为 0.376g。
和地球不同的是，火星表面并没有一个全球性的磁场，微弱的磁场只存在于火星的一些局部区域。因此，指南针并不能为您提供任何的帮助。
以下剧透预警
为了前往火星探路者号的所在地，Watney 利用火卫一来确定自己的方向。而在最后前往 MAV 的旅程中，Watney 使用了自制的六分仪，通过对火卫一和天津四的观测，分别获得了自己的经度和纬度。这个古老的导航方法源于航海。
剧透结束
事实上，火星一共有两颗卫星——火卫一（Phobos）高度较低，轨道周期短；火卫二（Deimos）高度较高，轨道周期长。再算上火星自传的影响，火卫一每 11 小时 6 分从西边升起，经过大约 4 个小时从东边落下，其大小相当于 1/3 个满月；而火卫二每两到三天才出现一次，大小也只有满月的 1/12。不论从观测难易度还是观测机会上来说，都是火卫一更适合为您提供导航。
如果您被困火星也没有合适的观测工具的话，也可以使用和地球上寻找北极星类似的方法来确定火星的北方。您只需要找到夜空中的天津四（视星等 1.25）与仙王座阿尔法（天钩五，视星等 2.45），并确定其连线的中点，即为火星的北方。
除此之外，火星上的时长也与地球有所差别。火星上的一天被称为一个火星日（Sol），长度为 24 小时 39 分 35.24409 秒。因此，为了实时跟踪 Watney 的情况，Venkat Kapoor 专门指派了 Mindy Park
和火星上的 Watney 保持同一作息时间，这就相当于在地球上每天晚睡 40 分钟。
火星气候
火星气候寒冷，表面平均气温零下 63 摄氏度，大气压在 0.4–0.87 kPa，连地球大气压的百分之一都不到。由于纬度、地形以及季节的差异，火星上也存在不同的气候环境。
一般来说，纬度越高、海拔越高的地区气温越低，这一点在火星上同样适用。在北半球的冬天，希腊平原的底部温度比同纬度地区高 10 度左右，气压也能达到 1 kPa以上。
为了提高您的求生几率，我们建议您尽量呆在纬度较低、海拔较低的地方。低纬度同时也保证了您能获得尽可能多的太阳能供应。
另外，您可能最关注的一个问题就是火星上的沙暴。
以下剧透预警
在《火星救援》一书中，火星的沙暴曾两次威胁到 Watney 的生命。第一次是在书的开篇，由于沙暴过强，Watney 被倒下的天线刺穿宇航服，被队友误认为已经死亡，从而被遗弃在茫茫火星；第二次是在前往 MAV 的途中，险些进入沙暴席卷的地带而丢失太阳能源。好在凭借着自己的细（zhu）致（jue）观（guang）察（huan）成功绕开沙暴逃过一劫。
不过作者 Andy Weir 也曾坦言，《火星救援》中一个比较脱离现实的地方就在于：火星上的沙暴并没有想象中的那么强！这一切都是为了推动情节发展而故意写的！
剧透结束
虽然火星上的风可以达到很高的速度（书中设定的风速为175 kph），但是由于火星大气的密度仅为地球大气的六十分之一，其强度已经大打折扣（只相当于地球的一级微风）。此外，由于火星表面缺乏水汽，大气中细小的的沙尘并不能聚集在一起，就算是沙暴，其对风力的增强作用也很有限。不过也正因为风中的沙尘，风蚀作用对于火星地形的形成也有相当大的影响。
其实沙暴对火星生存的真正影响在于它能极大地减少太阳能电池板接收到的能量，同时也降低了大气能见度。在全球性的火星沙暴之中，火星表面的探测器必须关闭大部分的科学仪器才能够渡过难关。
火星的沙暴是由于温度梯度引起的，一般出现在南半球的夏季，这同样也是火星运行于轨道近日点附近的时候（关于火星历法可以参照：http://book.interimm.org/navigator/mars.html#marscal）。
为了最大限度地降低火星沙暴对您生存的影响，我们提醒您在这段时间注意观察每天的天气变化情况，如果发现有沙暴来临的迹象（比如能见度降低、太阳能效率降低），请提前准备好备用能源，并尽量不要外出。
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