火星殖民

火星殖民指人類在火星建立永久定居點的設想。

火星是太陽系內，除地球外，最適宜人類居住的行星，所以火星是學術研究的焦點和外星殖民的候選地之一。

人類在外星居住是科幻作品最為流行的設定之一。隨著科技進步，外星殖民已是可以實現的設想。

現時，研究火星定居計劃的公營政府航太機構包括NASA，ESA，CNSA，俄羅斯航太和ISRO，以及私營太空公司包括SpaceX，洛克希德·馬丁和波音等。

## 火星與地球的相似

雖然金星在成分、體積和重力方面比較接近地球，但是對外星殖民而言，火星的環境更加適合地球生命移居。

- 火星一日的時間與地球一日的時間十分接近。火星的太陽日時長24小時39分35.244秒（參見火星時）。
- 火星表面面積相當於地球表面面積的28.4%，稍微小於地球陸地面積（佔地球表面面積的29.2%）。火星直徑只有地球的一半，所以體積更小，平均密度也更低。
- 火星的轉軸傾角為25.19°，與地球的23.44°較為接近，因此火星季節與地球相似。但是，火星的1年相等於地球的1.88年，因而火星上各季節的長度，比地球長將近一倍。火星北方上空並不是小熊座，而是天鵝座。
- 火星有大氣層，但非常稀薄，僅相當於地球大氣層的0.7%，因此，火星大氣層只可以抵擋部份的太陽輻射和宇宙線。然而，稀薄的大氣層已足夠讓宇宙船進行大氣制動及飛行（Aerobraking）。
- NASA的火星探測漫遊者、鳳凰號火星探測器和ESA的火星快車號最近在火星進行過觀測活動，證實火星蘊藏凍結的水。
- NASA的好奇號和毅力號在火星地面進行勘探，發現火星地底泥土水份比地表多，對火星存在地下水的假設提供有力支持。

## 火星與地球的差異

- 大部分地球上的動植物都不可以在火星的極端環境生存，只有部分微生物和地衣在模擬的火星環境下可以短暫生存。
- 火星地表重力（Surface gravity）只有地球重力的38%，而目前人類對重力相關的健康問題並沒有系統上的防治和治療方法。
- 火星的平均溫度在186與268 K（零下87°C與5°C）之間，相較於地球的最低溫紀錄（零下89.2°C，南極洲），要寒冷得多。
- 火星離太陽較遠，其大氣層所接收的太陽能（太陽常數）大約只有地球所接收的一半。不過，火星並沒有濃厚的大氣層和磁圈阻擋太陽輻射。
- 火星的軌道離心率較地球為大，造成氣溫與太陽輻射的變化較大。
- 目前火星上的大氣壓只有約7.5百帕，遠低於阿姆斯壯極限的61.8百帕，不足以讓人類在未配備壓力設備的狀況下生存。由於火星地球化工程屬於長期的計畫，短期內火星上的人造建築都必須如同太空飛行器一樣，配有壓力設備，維持約300至1000百帕氣壓。
- 火星大氣層中有95％的二氧化碳，3％的氮，1.6％的氬氣和其它氣體的痕跡，包括共計小於0.4％的氧氣。
- 火星空氣的二氧化碳分壓有7.1百帕，而地球的二氧化碳分壓是0.31百帕。若二氧化碳分壓高於約1毫巴,人類會發生二氧化碳中毒。即使是植物，在二氧化碳遠高於1.5毫巴的環境也會有中毒症狀。這意味著火星的空氣不利於地球的植物和動物生存。
- 火星上的磁場極小，所以，火星干擾太陽風的能力不足。

## 火星環境

探火衛星、NASA探險車收集到的數據顯示，火星對人類而言並不舒適。地球大部分地方都與火星大為不同，只有南極在溫度方面和火星比較接近。氣壓極低，二氧化碳極多（地球二氧化碳含量較低），幾乎沒有氧氣（21%的地球空氣都是氧氣），重力較低，火星表面間歇性存在液態水。都是火星與地球之間的其中一些不同之處。儘管如此，部分人仍然認為，人類還是可以在火星居住的。人類若要在火星居住，就要在人造建築當中生活。未來人類可能會親自探索火星，不過，人類能否在火星永久居住這個問題，目前仍然沒有答案。

### 地球化

人類未來可能會對火星進行地球化改造，令各種生物得以在火星表面獨立生存。在維京人號的實驗中對於火星土壤是否存在生命尚未有定論。2012年4月，有報導稱，德國航空太空中心的火星模擬實驗室（Mars Simulation Laboratory）對苔蘚和藍菌進行了模擬火星環境實驗，結果顯示，苔蘚和藍菌具有驚人的生存、適應能力。

## 輻射

火星並沒有完整磁場。同時，火星也沒有濃厚的大氣層。因此，火星會接收到大量的游離輻射。載有火星輻射環境實驗儀（Mars Radiation Environment Experiment）的NASA探測衛星2001火星奧德賽號曾在火星軌道探測到極高的輻射，其數值比國際空間站的高出2.5倍。火星每日平均輻射達到22毫拉德 (單位)（Millirad），每年平均輻射達到0.08戈瑞。太空人在火星輻射下進行三年活動所吸收的輻射會接近NASA的安全限額。火星表面的輻射指數較低，各處的指數，視乎高度、磁場，並不一樣。在地下建築生存空間會減少人類吸收輻射（可以在現成的熔岩管建造建築）。

太陽質子事件發生時，火星的輻射會較平時高。地球附近的觀測器並不能偵測到所有的太陽質子事件，因為它具有定向性。在火星活動的太空人有可能因而遇到危險。

人類目前對太空輻射知之甚少。2003年，NASA林頓·詹森太空中心開始在布魯克黑文國家實驗室的太空輻射實驗室（Space Radiation Laboratory）運用粒子加速器模擬太空輻射。有關人員在實驗室研究了太空輻射對受到屏蔽技術保護的生物的影響。最初，實驗人員發現較低的慢性太空輻射並不如預料中危險，輻射甚至對生物產生了放射激效（Radiation Hormesis）這種正面效果。後來，實驗人員確定，輻射對DNA的傷害比預期中高兩倍。太空人在火星執行任務時有可能因此患上癌症或者其他疾病。美國載人太空旅程計劃委員會（U.S. Human Space Flight Plans Committee）在2009年發表的報告當中宣稱，以現有的科技、沒有充裕的資金的狀況下，載人火星任務困難重重，NASA正在研究等離子導流罩等等技術，保護太空人。

## 交通

### 星際飛行

自地球出發，到達火星所需的能量，在各個行星較少，僅次於金星。利用霍曼轉移軌道到達火星大概需要九個月。增加能量、燃油，就能夠修改轉移軌道，在六到七個月的時間裡到達火星。載有無人探測器的火箭就採用了這種方法縮短飛行時間。以目前的科技將飛行時間進一步縮短到六個月以下並不現實，不過，這一目標在未來可藉助可變比沖磁等離子體火箭、核熱火箭等等技術實現。採用前一種技術，四十天內就能達到火星；採用後一種技術，兩個星期內就能達到火星。縮短飛行時間的另一種方法是採用速度不斷加快的推進器，如太陽帆和離子推進器。

太空人在飛行期間需要受到保護，因為游離輻射和太陽風都會損害人體DNA，提高患癌風險。科學家估計，長期進行星際飛行，患癌風險會增加1到19%。男性的患癌風險是3.4%，而女性的患癌風險則更加高，因為女性的腺體組織較大。

### 登陸火星

火星重力比較輕，是地球重力的0.38倍，但大氣則非常稀薄，只有地球大氣的1%。和月球相比之下較重的重力和大氣層帶來的空氣阻力影響，使得像阿波羅任務那種重型載人且只搭配推進器的登陸策略變得困難。火星稀薄的大氣又很難用來進行大氣制動來減慢下降速度，這使得載人任務必須使用和以往載人登陸月球或者無人登陸火星都不同的制動和登陸系統。如果奈米碳管之類的建築材料能夠提供130GPa的強度，則可以在火星表面建築太空電梯來運輸人或物資，因此有科學家討論在火衛一建造電梯的可行性。

## 通訊

火星在中午時與地球通訊比較簡單，因為地球當時在火星的地平線之上。NASA和ESA在多個火星軌道飛行器上面，已經安裝了通訊設備，換言之，火星已經設有通訊衛星。人類可以在殖民之前發射新衛星代替舊衛星。

火星與地球之間的單向通訊延遲時間，最短3分鐘，最長22分鐘。而火星-地球實時通訊，則是不切實際的，因為兩地之間存在嚴重的時滯問題。NASA發現，火星與地球在上合（Superior Conjunction）期間可能會斷絕，為期兩星期。不過，實際通訊情況取決於多個因素，如通訊系統的鏈路餘量和最低數據傳輸速率。現實中，大部分火星的通訊斷絕時間長達一個月。

在L4、L5點放置衛星，就應該可以解決這一問題。衛星的造價並不是問題，因為，衛星造價對整個殖民計劃的開銷來說，微不足道。不過，體積和功率的問題，導致這一設想不切實際。而且，上述地區的固有穩定性雖然有利於衛星保持位置，但是，卻會招來塵埃和小行星，令到衛星安全受到威脅。儘管這一地區潛在危險，STEREO的探測衛星仍然能夠毫髮無損地通過這一地區。斯特拉斯克萊德大學的進階太空概念實驗室與ESA提出了解決問題的方法：在高非克卜勒軌道放置一種新式衛星。新式衛星採用小推力推進器，如離子發動機和太陽帆。推進器的作用是修改衛星的固有軌道。即使太陽在地球和火星之間，衛星也能通過離開軌道平面，「懸浮」在火星之上的方式維持兩地通訊。衛星因為靠近火星地表，所以沒有L4、L5點衛星的問題。而且，衛星仍能維持地球和火星之間的通訊。

## 經濟

就好像新世界的早期殖民地一樣，經濟取決火星殖民地的成敗。火星較弱的重力和優良位置，都為貿易提供了便利。因此，貿易可能會成為推動殖民地發展的動力。火星最終有機會成為出產糧食和小行星帶挖礦器械的中心，因為火星擁有一定的體積和豐富的資源。

火星的重力和自轉速度適合人類運用現時的物料在它與地球之間建造太空電梯。不過，即使攻克了太空電梯的難點，太空電梯所消耗的能量與火箭差不多，而其速度比不上火箭。

建立殖民地，需要大量的前期投資，這是火星經濟的其中一個重大問題。

部分早期火星殖民地可能專門發展地方資源，如凍結水，供其他殖民地使用。地方資源也可以用作興建房屋。目前所知的其中一種火星礦物，就是鐵鎳隕石形態的還原鐵。這一種鐵更易於提取。

糞便可能是火星內部貿易的重要商品，假如火星沒有生命，那麼它的土壤會十分貧乏。在火星土壤足以支持植物生長之前，糞便和其他肥料都會極其重要。

太陽能是火星殖民地其中一個候選能源。火星到太陽的距離，雖然比地球到太陽的距離遠，但是，火星的大氣層比較稀薄，所以，阻擋的太陽輻射也比較少。

核能也是殖民地的候選能源之一，因為不斷將燃油運往火星耗費高昂。核能所產生的熱能對殖民地而言，也是珍貴資源。

## 定居地點

科學家認為，火星有多個地區都適合人類居住。

### 極地

火星的南北兩極一度引起了科學家的極大興趣，因為兩地的冰帽會隨著季節變化。火星奧德賽號發現，北極藏有的水資源最為豐富。不過，緯度較低的地區也有水資源。所以，兩極的吸引性有所下降。和地球一樣，火星也有極晝和極夜。

### 赤道

火星奧德賽號在阿爾西亞山附近發現了天然洞穴。科學家認為，殖民者可以在這些洞穴居住，避免受輻射和微流星傷害。同時間，赤道也可能藏有地熱能源。

### 內陸

探索火星的任務仍在進行。火星探險漫遊者勇氣號和機遇號所採集到土壤和岩石大為不同。由此可見，火星的地質多變，採集資料有助於選擇定居地點。火星和地球一樣，離赤道越遠的地區，氣候變化就越大。

### 水手號谷

火星的「大峽谷」水手號谷長度超過3,000公里，平均深度達到8公里。峽谷底部的氣壓比表面的氣壓高25%。科學家認為峽谷一度被水淹沒，因為有不少河道通往峽谷。

### 熔岩管

人類在火星地表發現了多個熔岩管的入口。可以從地球的同類通道推斷出，熔岩管有足夠的長度保護入內居住的太空人，免受輻射傷害。同時間，熔岩管也比較容易進行封閉工程。

## 支持團體

有多個團體因為多個理由，推動火星殖民計劃。當中歷史最悠久的是火星學會（Mars Society）。學會在一直在鼓勵NASA進行火星載人任務，並且在加拿大和美國建立了火星模擬研究站。另一個同類團體是以推動私人載人任務的MarsDrive。同樣支持殖民火星的Mars to Stay，制定了計劃。首先將太空人運送到火星，然後再決定是否在火星定居。太空人屆時會將緊急離開之用的飛船改為房屋。Mars One也是同類團體，計劃在2023年建立第一個完全投入運作的人類殖民地。SpaceX民營太空火箭公司也計畫在2024年進行火星殖民任務。

## 無人先行任務

勇氣號、機遇號、好奇號等非載人太空飛行器可以為建立人類殖民地做好準備。探測車能夠尋找地下水及其他資源，促進殖民地發展。車輛壽命短則數年，長則數十年。商業航天的近期發展顯示，私人機構在未來也可能擁有探險車。採用機械人進行任務，花費較小，政治風險也較低。

無人太空飛行器可以通過儲存燃油、氧化劑、食水、建築材料等等消耗品，為未來的任務打下基礎。太空飛行器也可以在火星上興建能源、通訊、居住、供熱和製造設施，方便太空人執行任務。

2001火星探勘者登陸艇（Mars Surveyor 2001 Lander）的任務包括利用火星大氣製造氧氣，測試太陽能電池，以及找出減輕火星塵埃對動力系統的影響的方法。

## 早期載人任務

1948年，沃納·馮·布勞恩在火星計劃（Das Marsprojekt）一書中提出用1000支三節火箭建立一個包含10艘太空船的船隊。船隊可以運載70個太空人到火星執行任務。

NASA、RKA和ESA都沒有建立殖民基礎的載人火星計劃。三個機構只想進行探索活動，無意執行殖民任務，正如阿波羅計劃的一系列任務，目標是探索月球，而非殖民月球一樣。

人類若要殖民火星，就要建立一個有自立能力的永久基地。羅伯特·祖布林（Robert Zubrin）的直擊火星（Mars Direct），是有關計劃中最為著名的一個。

而吉姆·麥克萊恩（Jim McLane）和巴斯·朗斯多普（Bas Lansdorp）則提出了另一個計劃，不過計劃參與者無法返回地球。

火星學會（Mars Society）在2000年開始進行火星模擬研究站項目（Mars Analogue Research Station Programme），在加拿大德文島和美國猶他州興建設施，根據直擊火星計劃，進行試驗。科學家設想中的火星建築一般包括製造氧氣和推進劑的設施。

## 流行文化

不少科幻作品以火星殖民為主題

### 小說

- 火星三部曲

### 影視作品

- 全面回憶
- 火星時代
- 機動戰士鋼彈 鐵血孤兒
- 機動戰士鋼彈AGE

### 電子遊戲

- PlanetBase星球基地

使命召喚13無限戰爭