這篇文章曾發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映作者觀點，未必代表《大眾科學》立場。
在行星科學領域，許多人最初的靈感來自於閱讀科幻小說，這已經是一個半公開的秘密。 對於我們這些研究火星的人來說，金·斯坦利·羅賓遜 90 年代的火星三部曲尤其具有影響力，它描述了紅色星球的殖民化和最終的地球化改造。 但是在 2019 年重讀這些書時，我注意到他想象的大部分內容看起來都相當牽強——我們離將第一個人類送上火星還有很長的路要走，而將這顆行星地球化改造成適宜居住的地方似乎是一個非常遙遠的夢想。
之前已經有人提出了將火星改造成類似地球行星的嚴肅科學想法，但這需要龐大的工業能力，並且對火星上可獲取的二氧化碳 (CO2) 總量做出了假設，這些假設被批評為不切實際。 因此，幾年前當我們開始思考這個問題時，我們決定採取不同的方法。 當你研究火星過去的氣候時（就像我們在日常研究中所做的那樣），你會很快了解到，雖然它過去曾斷斷續續地適宜居住，但它從來沒有真正像地球一樣——它一直是一個獨特而陌生的世界。 因此，當我們思考如何在未來使火星變得適宜居住時，或許我們也應該從紅色星球本身汲取靈感。
火星上的一種自然過程——所謂的固態溫室效應——尤其令人感興趣，因為它能夠在火星極地冰蓋下方的冰層中，每年夏天強烈加熱冰層。 這種效應發生在可見光透射到隔熱材料內部時，之後熱量會被困住，並可能發生急劇升溫。
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受這一過程的啟發，以及幾年前我為行星氣候學研究生課程提出的一個問題（永遠不要說教學對研究沒有幫助！），我們開始研究在地表覆蓋半透明固體薄層的情況下，火星上可以產生多大的升溫效果。 為了進行實驗，我們使用了二氧化矽氣凝膠，這是一種奇特的
[AQ：請澄清此處的“奇特”一詞。 二氧化矽氣凝膠是最常被研究的一類氣凝膠，因此，如果您想暗示它們與更常見的材料相比具有不尋常的特性，則最好使用不同的詞。] 材料，它具有極佳的隔熱性、極低的密度（超過 97% 是空氣），並且幾乎對可見光透明，使其成為產生強固態溫室效應的理想候選材料。
二氧化矽氣凝膠已被 NASA 用於火星探測車內部的隔熱，以及其他用途。 正如我們在論文中展示的那樣
[AQ：這是您第一次提到您的論文。 您是否想在此處連結到該論文，或提供更多詳細資訊（例如，期刊名稱，如果已發表）？] 透過實驗室實驗、建模和第一性原理理論的結合，我們發現，在火星表面或離火星表面不遠的地方放置兩到三釐米厚的這種材料，就足以使下層保持永久溫暖，足以生長藻類或植物，並阻擋大部分有害的紫外線輻射。 如果我們樂於從區域性開始，那麼使火星變得適宜居住可能比以前認為的更容易實現。
接下來的步驟是什麼？ 嗯，我們的論文證明了這個想法的基本物理原理是合理的，但是要理解如何使用這種方法在火星上建造實際的棲息地，還有很多工作要做。 二氧化矽氣凝膠非常脆弱，因此為了實現堅固的防護罩和控制內部壓力，需要對其進行改性或與其他一些材料結合使用。 還有一個問題是如何在火星上供應二氧化矽氣凝膠。 它非常輕，這有利於從地球運輸，但最終我們希望在火星表面製造它。
一種標準的工業方法涉及高壓 CO2 乾燥步驟，這可以利用來自大氣層的 CO2 供應。 然而，值得注意的是，地球上的一些生物體非常擅長在奈米尺度上操縱二氧化矽（玻璃海綿和矽藻浮游植物只是兩個例子）。 因此，推測而言，生物體最終有可能被改造為自行生產類似二氧化矽氣凝膠的材料，從而形成一個生物圈，幫助維持自身適宜居住的環境。
在實際應用方面，我們下一步計劃專注於改進實驗室實驗的範圍和複雜性，並在野外進行初步測試。 火星是獨一無二的，但地球上也有一些不適宜居住的地方與它非常相似，包括智利的阿塔卡瑪沙漠和南極洲的幹谷。 如果我們能夠在野外像這樣的地點證明我們想法的可行性，那將大大有助於證明它可以在火星表面真正發揮作用。
在那之後，剩下的最大障礙將是行星保護：任何在火星上放置生命的計劃都必須避免汙染可能已經存在生命的地方。 與任何全球地球化改造方案相比，我們提出的區域性、可擴充套件的方法更容易做到這一點，但這仍然是一個需要在未來非常仔細考慮的重大問題。
我們離在其他行星上建造可行的自給自足的棲息地還有很長的路要走。 但我們的研究首次為在未來幾十年而不是幾個世紀內實現這一目標開闢了一條看似可行的途徑，如果我們選擇這樣做的話。 而且我們認為這值得為此感到興奮。