木卫二全球宜居性改造任务
Europa Global Habitability Altering Task (EGHAT)
很幸运能够遇到一群很有意思的朋友们。木卫二宜居性改造课题的完成很大一部分得益于谨睿的头脑风暴、文思泉涌，让我佩服不已。团队成员间的沟通很舒服，很久没有这么愉快的进行小组作业了，大家都非常nice，改造方案和项目汇报的成果在我心目中绝对是排No. 1。
“赤道氢弹爆破，形成赤道环带海洋；L1点气体采集站建设，输运管道铺设；运行三颗低轨人造太阳，加速融化冰层；仅保留一颗人造太阳，转移至20h高轨；氦氧大气环境改造，电解站建设运行；水下居住基地及配套设施建设；极地物种投放培养，第一产业完善…”以下是对谨睿的文稿进行复制编辑，如下。
我所分到的小组成员是截至当时，让我感受到最有契合感和和谐感的同龄人，对于我这种时有发疯的人员，他们为我带来的社交环境是前所未有的舒适的。我们甚至为夏令营分配的木卫二宜居改造项目，煞有其事地命名为 “EGHAT”，并且为此绘制了如图1的 Logo。
这个命名非常有趣，它可以被拆解为 “Egg + Hat” (鸡蛋帽子)，相当形象地描绘了最终期望改造的木卫二景象：海洋覆盖赤道环带，两极是厚实的冰盖，很像顶着俩鸡蛋壳。
EGHAT 全称为 Europa Global Habitability Altering Task (欧罗巴全球宜居性改造任务)。显然有些词汇是为了符合简称形式硬凑的，但似乎也说得过去。
实际上很多小组都只考虑了局部改造，但我往往有比较大的野心。在我提出的方案中，改造是全球性的——我们想把它改造成一个极地星球，固体表面覆盖着苔原生态系统，浅海则是冰海生态系统。我喜欢关心一些整体的、系统的、宏大的问题，尽管这在科学界容易被界定为“选题过大”。
木卫二（Europa）是一颗和月球规模接近的天然卫星，表面被冰层覆盖，其下存在巨大的全球性海洋（图 2）。如果更早确认这种具备全球性液态水海洋的天体，我相信会催生出更多的科幻电影。
为了产生环绕赤道的海洋，我们需要：破冰。考虑到成本，我们认为最简单的方式是氢弹爆破：在赤道环带冰层深处均匀布设氢弹并引爆。
暴露海洋后，我们需要对整个卫星升温。我们引入了在轨人造太阳：三颗人造太阳呈等边三角形分布于低轨，融化坚冰并释放气态碳酸，后期保留一颗转移至 20h 逆自转方向高轨，模拟地球处的天然太阳。
其动力源自可控核聚变。我们设想在木卫二与木星的 \(L_1\) 点布设气体采集站，利用纳米材料管道从木星大气抽取燃料。经计算，维持极地生态系统均温所需氢气消耗量约 \(7160\ \mathrm{t/s}\)。这要求建设直径数十米、长达六十万公里的巨构管道。
我们设计了一种适宜人类呼吸的 “heliox” 氦氧混合大气（参考 Farahnaz et al. 2014）：
- \(79.7\%\) 的 \(\mathrm{He}\)
- \(20\%\) 的 \(\mathrm{O_2}\)
- \(0.3\%\) 的 \(\mathrm{CO_2}\) (供植物生长)
这种混合大气的平均分子量为 \(\bar{M}_r = 14.314\)。根据气体的玻尔兹曼分布关系：
\[P=P_{0}e^{-\frac{M_{r}gh}{RT}}\]若规定目标表面气压为 \(50.73\ \mathrm{kPa}\)，可求得大气厚度约为 \(h_0 = 468\ \mathrm{km}\)。通过积分求得总大气质量 \(M\) 约为 \(1.044 \times 10^{13}\ \mathrm{t}\)：
\[M=\int_{0}^{h_{0}} \rho_{0} e^{-\frac{\bar{M}_{r} g h}{R T}} 4 \pi(h+R)^{2} d h\]依据热逃逸通量公式：
\[F=\frac{n v e^{-K}(1+K)}{2 \sqrt{\pi K}}, \quad K=\frac{G M_p m}{kRT}\]计算得出 \(\mathrm{O_2}\) 和 \(\mathrm{CO_2}\) 的热逃逸通量 \(F \to 0\)，而 \(\mathrm{He}\) 则需要通过木星采集站进行长期补充。
我们将改造后的设计均温定在 \(230\ \mathrm{K}\)。赤道约为 \(260\ \mathrm{K}\)，两极约为 \(200\ \mathrm{K}\)。由于 \(\mathrm{CO_2}\) 的沸点为 \(216.5\ \mathrm{K}\)，极地会出现“二氧化碳雪”。
在生态方面，投放苔原植被和南极磷虾。人类居住区则设计为水下建筑，以利用厚重的水层屏蔽木星强大的辐射（图 4）。
根据 Kashyap (2017)，地球相似指数 ESI 计算方式为：
\[\mathrm{ESI} = \prod_{i=1}^{n} \left(1 - \left| \frac{x_i - x_0}{x_i + x_0} \right| \right)^{w_i}\]我们引入自定义的 “模糊 ESI” (aESI) 进行评估：
\[\mathrm{aESI} = \left( 1 - \left| \frac{230\ \mathrm{K} - T}{230\ \mathrm{K} + T} \right| \right)^{5.78} \left( 1 - \left| \frac{P_{rot} - 1\ \mathrm{yr}}{P_{rot} + 1\ \mathrm{yr}} \right| \right)^{0.7}\]改造前，均温 \(102\ \mathrm{K}\)，\(\mathrm{aESI} = 0.016\)；改造后，均温 \(230\ \mathrm{K}\)，等效公转周期 \(1.78\ \mathrm{yr}\)，\(\mathrm{aESI} = 0.86\)。
这意味着改造后的木卫二将达到相当高的宜居水平。
参考文献
- Hashemian SM, et al. The use of heliox in critical care. Int J Crit Illn Inj Sci. 2014.
- Ding, S., et al. A high-density and high-confinement tokamak plasma regime for fusion energy. Nature. 2024.
- Kashyap JM. Quantitative indexing and Tardigrade analysis of exoplanets. arXiv. 2017.
- Mendez, A. Standard Planetary Habitability (SPH) of Global Land Areas. 2009.