揭秘不可忽视的火星救援的硬伤 从电影教你科学知识

揭秘不可忽视的火星救援的硬伤 从电影教你科学知识

《火星救援》惟一的硬伤是故事的一开始,沙暴让沃特尼留在了火星上。现实中,火星的大气压是地球的两百分之一,时速150公里的沙暴造成的影响只相当于地球上一阵微风。

《火星救援》的原著作者安迪·威尔表示:惟一的硬伤其实也是书里最大的纰漏:故事的一开始,沙暴让沃特尼留在了火星上。

现实中,火星的大气压是地球的两百分之一,如果真有时速150公里的沙暴出现,由于空气极其稀薄,它造成的影响只相当于地球上一阵微风吹过。火星上的一场沙暴是根本没有破坏力的。
其实我在写书的时候就知道了这个事实。原本我想过换一个开头的:火星探索队正在升空仪器上做工程测试,结果发生爆炸。可后来一想,还是第一个开头来得有冲击力,而这是一个有关人与大自然的故事,我希望看到自然界先出第一拳。所以我决定为故事感染力牺牲科学准确性,猜想“哎,没多少人会知道真实情况的”。可现在电影版出来了,所有专家都在纠错:“嘿,沙暴根本没这个威力,火星上根本不是那样的。”
一、被刺穿宇航服的马特·达蒙Mark如何能在风暴中活下来?
首先,Mark为什么能在风暴中活下来?虽然,他的宇航服被刺穿,但伤口中渗出的血液及时凝结堵住了创口——且慢,仅仅靠着血液凝结就可以隔开宇航服内外的压力差吗?
火星大气的密度很低,“海平面”气压大约只有地球的0.6%,而宇航服内的气压呢?目前,看似厚重的舱外宇航服并不能在其内部维持1个大气压的环境,而是只有32.4千帕,也就是约0.3个大气压:这倒是让封堵创口的血块压力小了很多。
在相当于珠峰顶端的气压下,宇航员依然可以呼吸自如,原因在于呼吸的几乎是纯氧——虽然气体稀薄,但氧气的密度并不比空气中低。在这32.4千帕的气压里,氧气贡献了20.7千帕,这就是所谓氧气的“分压”,通常用来衡量各种呼吸气体中氧气的有效浓度。

这样看来,我们的主角并不会因为“漏气”而死,这的确是符合逻辑的。不过假如他没有及时苏醒,在氧气耗尽之前,也可能因为氧气中毒而彻底失去知觉——这话听起来怎么自相矛盾?

《火星救援》惟一的硬伤是故事的一开始,沙暴让沃特尼留在了火星上。现实中,火星的大气压是地球的两百分之一,时速150公里的沙暴造成的影响只相当于地球上一阵微风。

原来,宇航服呼吸系统的一个主要作用就是去除呼出的二氧化碳,Mark 晕倒这么久,吸收二氧化碳的化学制剂早已饱和,为了防止二氧化碳中毒,宇航服开始主动排气,并用备用的氮气填充进来保持气压。当氮气也不够用的时候,只好加入过量的氧气。如果氧分压超过45千帕,中枢神经,视网膜,肺部就很容易受损。
不过,如果火星宇航服的气压和目前的舱外宇航服一致的话,Mark活下来的概率还是很大的。
二、从地球到火星需要多久?为什么Mark的第一反应是要等待四年?
清醒之后,Mark就得考虑自己到底能不能撑到NASA来救他的那一天。从地球发射火箭到火星,最基本的思路就是找到一条连接地球和火星的椭圆轨道。
图1中蓝色的轨道就是航天器最常用的变轨方式——霍曼转移轨道。 不难看出,走这条轨道所花时间刚好就是这条椭圆轨道周期的一半,而轨道周期只和椭圆的半长轴有关。

因为这条轨道的半长轴介于地球和火星之间,而一火星年等于1.88地球年,所以从地球到火星至少需要大半年的时间。也许有人觉得这条轨道显然距离太长,为什么不选择短一些,譬如那条红色的轨道。这条红色轨道实际上是一个大得多的椭圆轨道的一部分,为了进入这条轨道就需要大量的能量,而人类目前的火箭技术还不足以支持这样的飞行,而且,为了从这条轨道登陆火星,必须进行减速,减速所消耗的推进剂不会比发射时少多少,这都是技术达不到的。

《火星救援》惟一的硬伤是故事的一开始,沙暴让沃特尼留在了火星上。现实中,火星的大气压是地球的两百分之一,时速150公里的沙暴造成的影响只相当于地球上一阵微风。

实际上,以人类目前的航天水平,直接走蓝色轨道都很困难,目前的大多数载人火星计划都需要空间站进行物资中继,所以刚开始,Mark根本没去想NASA会专门发射飞船去救他,而是静静的等待四年后的下一个火星任务。
三、怎么做才能在火星上能种出土豆?
既然决心活下去,那么生存三要素,空气,水,和食物必须得全部搞定。Mark所在的火星“基地”本是给6名宇航员执行31个火星日(Sol=Martian Solar day, 火星上太阳起落的平均间隔。等于24小时39分35.244秒,和地球的一天很是接近)的任务设计的,此前任务已经执行了6天,剩下的食物足够他撑过300天。
饮用水和空气倒是容易解决,基地里的制氧机(可以分解二氧化碳)和净水机只需要有足够的电力就可以正常工作,万里无云的火星很愿意配合。看来最大的问题莫过于食物了:Mark 必须在小小的火星基地里建立一个可以支撑数年的小生态系统,从而完成食物和排泄物之间的循环。