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自然科普：不要谈什么流浪地球，画地为牢才是我们的真解

来源：科普中国-科普融合创作与传播

发布时间：2020-12-30

浏览次数：2801

　　出品：科普中国
　　制作：地质时代
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　随着电影《流浪地球》的热映，大家对其物理学方面的可行性开始进行讨论。然而在小说原著中，文章一开始就提到了对生态问题的担忧，而后也花费大量的笔墨描写了环境恶化，这是大多数未看过原著的观众所不了解的。当然，为了凸显人类面对绝境所爆发出来的大无畏精神，电影还是弱化了“流浪地球计划”对环境的破坏和对整个人类的影响。那么在这篇文章里，笔者将与大家探讨一下如果真的执行计划，地球会遭受怎样的破坏。
　　弄停地球，你以为来的只有海啸？
　　根据电影情节，流浪地球计划一共分为五个阶段，其中的第一步是用地球发动机使地球停止转动，使发动机喷口固定在地球运行的反方向。相较于影片中的描述，由于刹车时代长达42年，无论地球上的冰川是否融化，由此而产生的超级海啸和海平面上升其实并不恐怖，这种缓慢的降速并不是发生超级海啸的原因。可是对于地球来讲，水体变化其实并不是最敏感的，大气发生的波动才是必须要担忧的大问题。
　　1.大气环流受影响，带来超级风暴
　　这是由于气体质量更小，一旦受到外力，更容易发生变化。可以使行星停止转动的赤道转向发动机，喷出的工质将足以剧烈地改变大气环流，这大概个什么景象呢？
　　首先看局部图，行星发动机的高度虽然在已经在万米高空，空气已经较为稀薄，但是依然在大气层的底部，还处于对流层之中，会对超过百分之五十以上的大气进行加速。这就像一个吹风机，虽然相对这个室内空间来说对周围的空气影响不大，但是对风筒前面的区域还是有很显著的影响。最关键的是影片中的这个风筒口比一个体育场还大，如果连续工作42年，灾难性的后果可想而知。
　　
　　

　　行星发动机喷射的工质在大气中的状态的示意图，来源：作者自制
　　再从整个地球大气环流的角度来讲，当数以百计的赤道转向发动机沿地球切线方向连续42年工作后，地球的大气环流就完全不同了——原始地球的大气环流是从赤道向两极分为三个层次，高压低压相间，相互影响也彼此依存，致使全球性的大气运动不会特别剧烈。
　　
　　

　　正常状态下地球的大气环流示意图，来源：作者自制
　　当刹车时代开始后，赤道区域的全球大气将自西向东朝一个方向运动，这在原著中并没有考虑到，而到了影片中则对这种情况专门做了说明。但是考虑到行星发动机喷发的超高速工质，对于大气环流的影响还是偏于乐观了，相比之下，两极地区反而成了风水宝地。
　　

　　受行星发动机影响后的地球大气运动模式示意图，作者自制
　　越来越快的大气运动将演变成常态化的超级风暴，而这种超级风暴对于地表的高大植被以及生物有着巨大的杀伤作用。更严重的后果是越高的建筑所遭受的影响就越大，这令具有11000米高度的行星发动机的设计和建设难度又增大了不少。
　　2.不是进入冰期，而是焚山煮海
　　接下来我们把目光放的更远些，从赤道转向发动机扩大到全球12000个行星发动机，在影片中因为地球逐渐远离太阳，设定为在零下70多度的极寒条件下求生。但是我们复盘一下建造一万两千座推动地球的行星发动机，以及位于发动机正下方的地下城，就可以得到不同的结论。
　　根据原著，这些发动机位于北半球，且分布于亚洲板块和美洲板块的大陆上，因为只有这两个完整坚实的板块才能够承担发动机对地球的巨大推力。按照这一设定，我们需要在不到7000万平方公里的范围内建设12000多台行星发动机，每座发动机之间的间隔大约也就70公里；至于发动机多大，书中并没有明确的说明，只是通过参观“华北794号山”发动机侧面描写了发动机的巨大——11000米的高度，即便发动机露出地表的部分呈一个等边梯形也将有12.7公里的直径。所以在视觉中，真实的行星发动机分布图应该如下所示。
　　

　　全球范围行星发动机占地及分布示意图，来源：作者自制
　　我们按照原著要求随机生成12000个点，为了防止点的大小会随着比例尺自动变化，又以点为中心按照我们上文设想的行星发动机的占地半径设置缓冲区，最后成图，密密麻麻的分布是不是看着很酸爽。
　　当然如果我们放大看细节图，行星发动机的建设密度其实还是比较可行的——比地级市的密度还要大一些，应该是分担了南半球其他地区转移过来的居民。因为行星发动机除了为“流浪地球计划”提供运动的动力，更主要的是提供地下城市的能量，毕竟对于高度发达的人类文明来讲，有了能量几乎就有了一切。
　　

　　华北局部地区行星发动机占地及分布示意图
　　但如此高的密集度并不是困扰我们的最大问题，难以消耗的热量才是。对航天器有所了解的人对此应该不陌生，航天器的能量从来不是困扰设计者的最大问题，航天器的热平衡（产生热量和热量散失之间的动态平衡）同样是非常重要的课题，一旦设计出现问题，航天器的寿命就会大打折扣。
　　同样道理，地球这个半径超过6000公里的航天器依然也会受其困扰。飞向比邻星的地球接受太阳的辐射在逐渐变小，但自身携带的12000座等离子的行星发动机所产生的废热足以将地球烤得比曲奇还酥脆。退一万步讲，彼时人类的技术水平大幅提高，行星发动机的效率高的超乎我们的想象，而且，发动机地下部分产生的废热可以用于地下城的能量供给。但就像前文说的，行星发动机的高度远低于大气的厚度，会一直对大气做功，除了加速大气的运动，更大的影响就是剧烈加热大气：要知道，行星发动机的占地面积接近地球5%的陆地面积，你可以想象在一平方米面积大小的生态箱中放一个小腿那么粗（直径25cm）的酒精喷灯？（PS：原著中也将行星发动机称为“上帝的喷灯”）——嗯，这是要做干锅牛蛙吧。
　　

　　来源：作者自制
　　如果依然难以理解，我们不妨换个角度，随着行星发动机的运转，每时每刻都有无数辆巨大的装载车进行装料工作，而所谓的烧石头进行的是重元素聚变，也就是意味着地球可以看成被无数颗氢弹不停的轰炸，托我们赖以生存的大气层的福，这种数量级的能量，地球根本无法向宇宙空间消化。
　　届时，地球即便没有太阳，但凭借努力自己成为了一颗伪恒星，我们担心极寒的天气么？我们该关心的是海洋究竟是沸腾了，还是气化了！汉语中有一个成语——焚山煮海，用在这种情况下最适合不过了。
　　

　　来源：作者自制
　　为什么要打包地球呢？
　　当你跨过山和大海，也搞定了人山人海，成功的完成“流浪地球计划”的前期工作，从刹车时代进入了逃逸时代，开始我们的星辰大海之旅。但忽然发现，地球被这么一折腾，忽然间你就差不多成为孤家寡人了，因为世界上大多数的生命根本无法适应流浪地球计划对地球激进的改造。
　　比如在计划的筹备阶段，如此规模的建设会导致地表植被的大量死亡，即便有海洋中的藻类依然可以光合作用，但氧气依然难以得到及时补充，你会发现12000座超级工程的行星发动机的建设工作变得更加困难，人类甚至不相信自己可以熬到计划的全面实施阶段；再加上建设超过10000台行星推进器时冶炼金属所消耗的氧气同样不可小窥，此时的人类不得不面对一个巨大的问题，我们的氧气不够用了。
　　再退一步讲，我们可以凭借技术获得足够的氧气，但二氧化碳、甚至氢气等气体含量却会大量增加，人类可以选择性的利用氧气，但绝大数的生命难以面对这种变化，这种生态的毁灭性的破坏是短期内难以恢复的。
　　1.地球的生态系统无可比拟
　　事实上，如果按照电影（或者小说）交代的背景，从“流浪地球计划”还未开始，就需要对地球上的物种进行必要的处理，保证当到达目的地时能够重新繁衍发展。所以在太空站中才有对大量物种的备份，但这种数量级的备份可能只是杯水车薪。
　　所以，同建造一艘或几艘超级星际飞船比，打包整个地球仍有巨大的优势：最根本的原因就是地球的元素丰度对于我们人类和已经适应这一环境的生命来讲，是无可比拟的。虽然历史上地球同样经历了数次绝灭，但只要地球自身保证完好，一切就还有转机。而即便再大的飞船，相对于地球其生态系统依然显得过于简单，打包地球实在是一个极具性价比的买卖。
　　我们在上世纪80年代曾进行过著名的“生物圈2号”实验，依靠美国石油大王洛克菲勒为主的几家财团，委托空间生物圈风险投资公司承建一个占地12000平方米，容积达141600立方米，力求物质闭环而信息开放的封闭空间。在空间内部承载5个野生生物群落和两个人工生物群落，以地球热带生态系统为样板，涵盖约4000个物种，其中动植物约3000种，微生物约1000种。
　　然而就是这么一个经过缜密设计且看似规模不小的生态系统，仅仅过了两年就由于氧气和二氧化碳比例失控而宣告失败。所以，诺亚方舟也就只能作为一个传说罢了，更何况还要历经一百代人的努力才能到达目的地的星际旅行。
　　

　　生物圈2号的实验场所，来源：公有领域
　　2.自古以来的家国情怀
　　当然，这一选择最重要的还是我们中国人自古以来的家国情怀、安土而重迁；历史上，同样面对洪水，我们祖先的选择就一个字——干，大禹治水，凿山疏堰；而西方却选择了诺亚方舟。同样是天出了问题，我们或射日，或补天，从未选择放弃家园，有块地，给点水，给点阳光，我们就能种出一个世界。
　　与其到时流浪，不如好好保护
　　自《流浪地球》上映以来，大家都热衷讨论“流浪地球计划”的物理学可能性，但是，别人都关心你飞的远不远，只有我们地球科学工作者才关心你飞的惨不惨，作为地球科学工作者，更关注的是地球现有的环境和资源，那么惨烈的局面我们肯定搞定不了，但是那些叫嚣小破球我们走的小伙伴，你们把地球搞的千疮百孔还想飞离太阳系，这么异想天开的工程，你们的开发利用方案是不会通过环评的。
　　按照影片的设定，经过了100代人的努力，泊入到比邻星轨道，地球可能已经不是那个地球，家园也可能已经不再美丽。有人大致算过，不考虑技术等一系列问题，单纯达到5%光速，地球就需要失去9.5%的质量，这意味地壳和大部分的上地幔都保不住了。但我希望我们还是不要打地球表面那一点点水体的主意，不然，到了比邻星，我们依然无法从头开始，那里依旧是离家最远的地方；与其梦想着带着家去远方，不如好好维护我们的地球。
　　
　　

　　来源：作者自制
　　参考文献：
　　徐晨. 欧亚陆面热力异常与冬季中高纬环流异常的联系及其影响机理研究[D].南京信息工程大学,2014.
　　贾阳,刘强,向艳超,刘自军.深空探测对航天器热控技术的推动[J].航天器环境工程,2016,33(02):115-120.
　　Changes of photosynthetic capacity of some plant species under very high CO_2 concentrations in Biosphere 2[J].Chinese Science Bulletin,1997(10):859-864.
　　叶平. 基于生态伦理的环境科学理论观念和实践观念问题研究[D].哈尔滨工业大学,2014.

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