2024年的夏天，沾了我本科生导师赵刚院士的光， 也荣幸于中山大学PEARL实验室的接纳，我成功进入2024年其行星科学夏令营的行列进行交流学习。 我所分到的小组成员是迄今为止，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Fig.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。

Fig.1   如图为EGHAT的Logo，其寓意为破冰的木卫二，冰帽像蛋壳一样覆盖于两极，与简写“Egg+Hat”相照应。 蓝色的圆圈包裹整个行星，象征着全球性的极地生态系统，而最外层略显不规则的橙黄色线条表示氦氧混合大气，线条上的圆点则表示在轨人造太阳。图案下方环绕书写EGHAT的全称： Europa Global Habitability Altering Task (欧罗巴全球宜居性改造任务)。

实际上有很多小组都只是考虑了局部改造，或者局限于居住基地的设想，但往往我有比较大的野心，在我提出的主要方案中，木卫二的改造是全球性的—— 并且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。这也算是一种个人风格吧，我喜欢关心一些整体的、系统的、宏大的问题， 尽管这在科学界很容易被界定为一种“选题过大”的弊病。

我们自认为在EGHAT的项目规划中，提出了至少三个崭新的亮点，但此处先不列出，我想设下一个悬念，供读者品味。

木卫二是一颗和月球规模接近的天然卫星，被科学界认为是一个温和的世界，表面被冰层覆盖，其下存在巨大的全球性海洋 (如Fig.2所示)。这是极其迷人的发现， 尤其是上世纪末地外生命大探索度的时代，如果更早确认这种具备全球性液态水海洋的天体，各种资本和媒体就会反复炸锅冒泡，我相信甚至会催生出更多的科幻电影。 但目前木卫二的表面被相当厚的水冰所覆盖，而海洋和冰层的相互作用下，甚至产生了类似地球板块运动的地质现象。在我们的设计中，将会产生一个环绕赤道的海洋，因此我们需要：破冰。

Fig.2   图中展现了木卫二冰圈和水圈的剖面结构，冰壳存在板块运动以及冰火山现象，而其下布满液态的咸水海洋，海底则存在一些热泉， 被认为是极有可能发现地外生命的位置之一。

考虑到各种成本，我们认为最简单的破冰方式就是氢弹爆破：在木卫二赤道环带的冰层深处均匀布设氢弹，随后按批次先后引爆，足够多的动能和热能将会注入到冰层里， 从而产生可观的破坏效果。但我们并不十分清楚在这个爆破过程中，氢弹对全球性冰层的应力改变情况，以及未知的危险仍然是潜在的。

但只是暴露下层的海洋还不够，我们需要对整个卫星进行升温，以维持一个露天的液态海洋状态。因此我们引入了一种开发期望极高的装置，在轨人造太阳。 在轨人造太阳的使用大致会分为两个阶段，早期会在欧罗巴低轨上按照等边三角形布设三颗人造太阳，主要施行加热功能，融化更多的坚冰，扩展液态海洋的同时， 也将冰层中的固态碳酸分解并释放到大气中；而在后期，其中两颗人造太阳会被关闭，而另一颗会转移到20h的逆自转方向的高轨，并且限制到一定的发热功率范围， 此时它模拟地球处的天然太阳。

人造太阳的能源供给是一大难题，可以采用核聚变的方式来解决——并且我们说可控核聚变技术，将会是这一整套宜居改造方案的前置核心。 我们希望在木卫二和木星之间的L1点布设一座气体采集站，采用纳米材料输运管道的方式，将木星外层大气转移到L1的站点。经过组员于经济社会模块的计算， 如果想要维持一个极地生态系统所需的均温，人造太阳的氢气消耗量大约是7160 t/s，是一个相当吓人的数字。因此输运管道的通量要求会高涨， 可能最终方案会设计成直径几十米、长度六十万公里的巨构。对于目前的科技水平来讲，这必然是天方夜谭，但“我们相信后人的智慧”。

我们并不只是在木星外层大气提取核聚变所需的氢气，氦气也极其重要。木卫二目前只具有极其稀薄的大气，显然是不宜居的，因此我们设想为木卫二添加大气，增加其宜居性。

被称作“heliox”的氦氧混合气体是适宜人类呼吸的，甚至会用于医疗领域 (Farahnaz et al. 2014)， 因此我们设计了79.7%的\(He\)、20%的\(O_2\)、以及0.3%供以植物生长的\(CO_2\)，如此的混合大气。而以上的氦气来源，正是从木星外层大气所转移的，也可以是使用氢气进行核聚变后的产物。 另考虑到木星磁场内部高能粒子对木卫二大气的加速逸散，木卫二的大气改造很可能是会长期进行的，兴许能够提供相当的就业岗位。氧气的来源便比较直接，我们期望通过电解水的方式来获得大量氧气， 副产物氢气也能作为核聚变原料；而冰层融化的过程中，也会释放其中含有的温室气体，能够满足设计的需求。

木星磁层可以让木卫二免受太阳风的袭击，但如上所说木星自身的辐射也会带来隐患，而较为浓厚的氧混合大气可以吸收一部分辐射，并能存留来自于人造太阳的部分热量，产生温室效应， 同时提供可宜居的气体环境，属实是一石三鸟。

极地生态系统的均温需求相比于地球的平均情况，改造的要求会小很多，我们将设计均温定在230K，于是主管臆测赤道温度会在260K，而两极温度可能处于200K左右。因此木卫二表面可能会形成大约四个环流， 与地球的赤道环流与极地环流较为相似，除了部分水循环还可能包含二氧化碳的循环(\(CO_2\)沸点为216.5K，在极地会有类似降雪的现象)。(如Fig.3所示)

Fig.3   木卫二在改造后的地理-大气性质概念图，期望的赤道环带海洋能够达到260K，而两极温度则在\(CO_2\)沸点附近，据此猜想， 按照海洋和冰帽的比例分布，可能会出现四个大气环流，从而在木卫二表面形成冷温带海洋性气候和极地气候。

对于冰原生态系统，可能适宜类似于苔原的植被类型进行生长，兴许会有冻土区域的裸子植物也能生存，而冰线附近的海洋或许能够投放诸如南极磷虾的物种，从而形成简单的生物圈。 人类的居住区域可以分布在海岸线附近的平坦冰原，也可以是悬浮于海洋几十米水下的建筑。实际上水下建筑可以提供更多抵抗木星辐射的屏障，看上去更像是最为合理的方案。(如Fig.4所示)

Fig.4   图为改造后的定居方案，其中包含了定居点和生态圈的设计，整体的布局与地球南极外圈的科考站比较相似。

以上则是宜居改造的概述，如果牵扯到具体的指标，就需要精密的计算，但在此之前还是先总结一下流程吧，也就是上文所谓的悬念：

1. 赤道氢弹爆破，形成赤道环带海洋；

2. L1点气体采集站建设，输运管道铺设；

3. 运行三颗低轨人造太阳，加速融化冰层；

4. 仅保留一颗人造太阳，转移至20h高轨；

5. 氦氧大气环境改造，电解站建设运行；

6. 水下居住基地及配套设施建设；

7. 极地物种投放培养，第一产业完善…

对于氦氧混合大气，采用79.7%\(He\)、20%\(O_2\)、0.3%\(CO_2\)的比例，分子量平均约为14.314。若规定目标表面气压为50.73kPa，逸散层内压强为507.3Pa，则按照气体的玻尔兹曼分布关系：

\[P=P_0e^{-\frac{M_rgh}{RT}}\]

我们可得到粗略的大气厚度\(h_0=468\space km\)，表面压强对应平均气体密度约为\(0.32\space kg/m^3\)，于是由：

\[M=\int_{0}^{h_0}\rho_0e^{-\frac{M_rgh}{RT}}4\pi(h+R)^2dh\]

求得总大气质量约为\(1.044 \times 10^{13}\space t\)，各类气体组分需求量约为：

\[H_e\space:\space7.38\times10^{12}\space t\] \[O_2\space:\space2.09\times10^{12}\space t\] \[CO_2\space:\space3.13\times10^{10}\space t\]

依据热逃逸通量公式：

\[F=\frac{nve^{-K}(1+K)}{2\sqrt{\pi}K}\]

其中\(v=11.42\space m/s\)是气体的的热运动速率，\(n\)是气体在相应位置的数密度，\(K=\frac{GMm}{kRT}\)为逃逸参数，\(M\)为行星质量，\(m\)为粒子质量。 最终得到\(O_2\)和\(CO_2\)的热逃逸通量\(F\)趋近于0，而\(He\)则因为质量较轻处于一个相对较高的逃逸水平。

这仅是考虑热逃逸速率，除此外还应考虑非热逃逸的作用，例如来自木星的高能粒子轰击剥离作用，由于笔者届时流体力学知识的匮乏，只能得到相关气体组分的热逃逸速率。 定性地讲，来自木星磁场加速的高能粒子，对大气的剥蚀作用是比太阳风还要强烈的，因此为了达到一个输入-逸散平衡，氦气的输运将会是一个长期的工作。

其中最大的三个亮点，按我个人认为的权重排比，应该是氦氧大气改造、L1点气体采集站和在轨人造太阳，但是它们显然不被21世纪初的人类文明所掌握，并且前置核心科技都是可控核聚变。 截至撰稿近期，可控核聚变在托卡马克装置中实现等离子体密度的进一步提高和约束 (S.Ding et al. 2024)，距离最终的可控核聚变还有很长一段距离， 商业化也遥遥无期，只能期望在本世纪内能真正实现。

然后就是一些关乎木卫二宜居性判定的情况，我们的目标是将其改造为极地行星：

根据Kashyap (2017)，地球相似指数ESI的计算方式为：\[\text{ESI}=\prod_{i=1}^{n} \left(1-\left|\frac{x_i-x_0}{x_i+x_0}\right|\right)^{w_i}\]

其中\(x_i\)为与行星性质相关的物理量，而\(w_i\)为这些物理量的权重。在木卫二的改造中，我们只关心其表面温度和等效公转的影响，毕竟我们无从改造其他的物理量，诸如平均密度和行星半径， 因此引入 analogous ESI (aESI) 作为指标：\[\text{aESI}=\left(1-\frac{230K-T}{230K+T}\right)^{5.78}\left(1-\frac{T_{rot}-1yr}{T_{rot}+1yr}\right)^{0.7}\]

这里应当注意，等效公转周期是指，按接收到的辐照通量对应于围绕太阳的等效公转周期。

木卫二均温为\(102\space K\)，公转周期顺从木星为\(11.86\space yr\)，于是初始\(\text{aESI}=0.016\)。

当均温提升至\(230\space K\)，且人造太阳引起等效公转周期的改变为\(T_{rot}=1.78\space yr\)，对应约为\(1.47\space \text{AU}\)的轨道半长轴，此时： \[\text{aESI}=0.86\]

于是改造方案的理想预期，将会达到相当高的一个宜居水平。

另根据Abel (2009)，在\(230\space K\)的均温下，初级生产者宜居度SPH为0.37，在地球上属于中值。

尽管最后于夏令营中，EGHAT的方案并没有拿到最优设计 (被谷神星改造组用天马行空的科幻方式“比”了下去，他们使用了很多AI手段来完成新奇的点，受到欧空局特邀评委的青睐)， 但我仍然非常喜欢木卫二的改造方案。在闲暇时，我也在撰写科幻小说，我自己更倾向于将科幻情节用于人文社会的反思，谈论到宜居改造这样的工程畅想，个人更喜欢务实的设计而非纯粹的天马行空。

最后鸣谢中山大学PEARL为我提供了进行如此系统的畅想的平台，尤其是与崔峻老师进行交流后， 感慨与收获是前所未有的。我曾把上一篇关于生物量的架构设想交付与崔老师寻求建议，获得了他宝贵的鼓励，这也成为我爆肝这个难题的动力源泉之一。