從土壤角度分析電影火星救援

A. 電影《火星救援》中存在哪些漏洞

在我個人看來，《火星救援》的故事發生在不遠的未來，其時代背景和當下變化不大，本來火星載人勘探計劃就早已板上釘釘地被提上了議事日程。因此，導演雷德利-斯科特秉承尊重科學事實的基本態度，將已經誕生或尚在規劃中的人類科學成果在電影里展現出來：火星居住中心、巡遊車、氧氣製造技術、太空農場等。電影巧妙地在馬克獨白性質的視頻日誌加上硬科幻內容，以及片尾的全球直播，都讓影片有一種紀錄片般的真實。

怎麼樣？如果喜歡我的回答的話歡迎給我留言和點贊吧~

B. 《火星救援》中的地理問題

在一次人類登陸火星的任務中，宇航員馬克·沃特尼（馬特·達蒙 Matt Damon 飾）經歷了一場惡劣的風暴後，與他的機組成員失聯，所有人都認為他在這次任務中喪生。然而，馬克卻幸運地活了下來，然而他發現自己孤單地置身於異星球。面對貧乏的生命補給，馬克必須用他的聰明才智和頑強的精神存活下來，並找尋向地球發出「他還活著」求救信號的方法，而地球上的人也面臨著是否前往火星去拯救廳畝他的分歧。

我們先聊一下

1、 火星

火星（Mars）是太陽系八大行星之一，天文符號是♂，是太陽系由內往外數的第四顆行星，屬於類地行星，直徑約為地球的53%，自轉軸傾角、自轉周期均與地球相近，公轉一周約為地球公轉時間的兩倍。橘紅色外表是地表的赤鐵礦（氧化鐵）。我國古書上將火星稱為「熒惑」，西方古代（古羅馬）稱為「戰神瑪爾斯星」。

火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布且沒有穩定的液態水體（前不久，美國宇航局公布火星上有少量的水）。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發生。火星兩極皆有水冰與乾冰組成的極冠會隨著季節消長。

與地球相比，火星地質活動較不活躍，地表地貌大部份於遠古較活躍的時期形成，有密布的隕石坑、火山與峽谷，包括太陽系最高的山：奧林帕斯山和最大的峽谷：水手號峽谷。另一個獨特的地形特徵是南北半球的明顯差別：南方是古老、充滿隕石坑的高地，北方則是較年輕的平原。

2、火星塵暴

火星表面的塵暴，是火星大氣中獨有的現象，整個火星一年中有1/4的時間都籠罩在漫天飛舞的狂沙之中。由於火星土壤含鐵量甚高，導致火星塵暴染上了桔紅的色彩，空氣中充斥著紅色塵埃，從地球上看去，猶如一片桔紅色的雲。

形成全球性大塵暴後，太陽對火星表面的加熱作用開始減弱，火星上溫差減小，塵埃逐漸平息下來，回降到表面，一次長達好幾個月的大塵暴就這樣結束了。大風暴有時可以席捲整個星球。

火星塵暴是火星大氣中獨有的現象，這種現象是發生在火星運行到軌道近日點前後。科學家們認為，這是因為此時太陽對火星表面的加熱作用比較大，熱空氣上升，塵埃揚起，塵暴開始形成，並且慢慢擴展。

3、火星大氣

火星的大氣密度只有地球的大約1%，非常乾燥，溫度低，表面平均溫度零下55℃，水和二氧化碳易凍結。在火星的早期，它與地球十分相似。像地球一樣，火星上幾乎所有的二氧化碳都被轉化為含碳的岩石。但由於缺少地球的板塊運動，火星無法使二氧化碳再次循環到它的大氣中，從而無法產生意義重大的溫室效應。因此，即使把它拉到與地球距太陽同等距離的位置，火星表面的溫度仍比地球上的冷得多。

火星的兩極永久地被固態二氧化碳（乾冰）覆蓋著。這個冰罩的結構是層疊式的，它是由冰層與變化著的二氧化碳層輪流疊加而成。在北部的夏天，二氧化碳完全升華，留下剩餘的冰水層。由於南部的二氧化碳從沒有完全消失過，所以我們無法知道在南部的冰層下是否也存在著冰水層（左圖）。這種現象的原因還不知道，但或許是由於火星赤道面與其運行軌道之間的夾角的長期變化引起氣候的變化造成的。或許在火星表面下較深處也有水存在。這種因季節變化而產生的兩極覆蓋層的變化使火星的氣壓改變了25%左右。（由海盜號測量出）。但是通過哈勃望遠鏡的觀察卻表明海盜號當時勘測時的環境並非是典型的情況。火星的大氣似乎比海盜號勘測出的更冷、更干。

4、 火星日

是指火星上一「晝夜」的時間，即火星上的一個太陽日。火星的一個恆星日的平均長度是24小時37分22.663秒，而火星的一個太陽日平均為88775.24409秒或24小時39分35.24409秒[7]。火星的平均太陽日僅比地球長近2.7%。

火星與地球一樣存在均時差，它可以通過火星的日行跡來計算。由於火星的軌道離心率比地球大，所以局伏型火星的太陽日長度相當不恆定。平均一天的長度變化幅度比地球大很多，在火星上，太陽比火星鍾表的運行有時要慢50分鍾，有時又可快40分鍾。

5、火星地貌

火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷，火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布。由於重力較小等因素，地形尺寸與地球相比亦有不同的地方。南北半球的地形有著強烈的對比：北方是被熔岩填平的低原，南方則是充滿隕石坑的古老高地，而兩者之間以明顯的斜坡分隔；火山地形穿插其中，眾多峽谷亦分布各地，南桐猜北極則有以乾冰和水冰組成的極冠，風成沙丘亦廣布整個星球。

火星的火山和地球的不太一樣，除了重力較小使山能長的很高之外，缺乏明顯的板塊運動，使火山分布是以熱點為主，不像地球有火環的構造。火星的火山主要分布於塔爾西斯高原、埃律西姆地區和零星分布於南方高原上，例如希臘平原東北的泰瑞納山（Tyrrhena Patera）。

6、火星土豆

在電影《火星救援》中，男主角被困火星，為填飽肚子生存，只得以糞便為肥料，種土豆為食，才在火星上苦撐500天後等到救援。如今，NASA真要在火星種土豆了，目標是將來在火星設立種植基地。

NASA與CIP將開始在地球上類似火星的環境中培育土豆，希望最終在火星上建造一個可控制氣候的「穹頂」，來種植這種古老的農作物。該團隊將在實驗室中復制火星的大氣條件，使用來自潘帕斯德拉霍亞沙漠的土壤，這種土壤據稱幾乎與火星上發現的土壤完全相同。

CIP解釋道：「火星的大氣中95%是二氧化碳，高濃度的二氧化碳將有利於土豆的生長，其收成將是正常地球環境下的兩到四倍。如果成功，CIP和NASA將成為未來太空農業的先驅。」

為什麼選擇種土豆？農業學家們一直在宣傳種土豆的好處，因為土豆中不僅富含膳食纖維，營養豐富，還能在惡劣條件下生長。關於土豆種植的記錄最早能追溯到公元前2500年。目前，世界上諸多國家將土豆當作主糧，比如歐洲國家人均年消費量穩定在50－60公斤，俄羅斯人均消費量達到170多公斤。

最低氣溫零下153℃，沒有水源，土壤成分不合適，沒有氧氣，在火星上種土豆真的可行嗎？其實，NASA已經在實驗室中模擬火星的土壤和空氣環境，並成功種植了十餘種植物。

7、火星的冰

2007年三月，NASA就聲稱，南極冠的冰假如全部融化，可覆蓋整個星球。

 推論有更大量的水凍在厚厚的地下冰層（cryosphere），只有當火山活動時才有可能釋放出來。史上最大的一次是在 水手谷 形成時，大量水釋出，造成的洪水刻劃出眾多的河谷地形，流入 克里斯平原 。另一次較小的一次，是在五百萬年前科伯洛斯槽溝（Cerberus Fossae）形成時，釋出的水在埃律西姆平原（Elysium Planitia）形成冰海，至今仍能看見痕跡

《火星救援》中是這么取水的：

第一步，取出火箭燃料聯氨， 隨後用在銥的催化下，聯氮就會分解成氫氣和氮氣。 接著，引導氫氣到一個空間點燃，那麼水就會生成。N2H4 + O2 → N2 + 2H2O，這就是整個過程的反應式。

2015年9月29日，美國宇航局稱最新證據表明此前在火星表面一些隕坑坑壁上觀察到的神秘暗色條紋可能與間歇性出現的液態水體有關。來自衛星的數據表明這些出現在坑壁上的暗色條紋可能是含鹽水體沉積過程產生的結果。尤為關鍵的一點在於，這種含鹽水體將能夠改變火星表面水體的冰點與沸點，從而使得液態水體在火星地表的存在成為可能。

8、火星救援想告訴我們什麼？

《火星救援》的意義遠不止能讓20世紀福斯賺的盆滿缽滿，它會重燃人類探索太空的渴望，它將激勵新一代宇航員的誕生。觀看達蒙的太空獨角戲是種享受，在他的詮釋下，主人公馬克火星求生的奇跡很有說服力

我們看一下馬克的遺言：

如果我死了，我需要你去拜訪一下我的父母。

雖然我知道這很難，因為你很難跟一對年邁的父母談論他在火星上死去的兒子。

我沒有放棄，我每天都在努力。

請告訴他們，告訴他們我愛我的工作。

而且我的犧牲，是為了大事，美好的，可能改變人類的大事。

剩下的，你們自己解讀吧

C. 技術宅看《火星救援》：生活艙里真能種土豆嗎

生活艙里真能種土豆，事實上生活艙里能種植的不單單只有土豆。
美國宇航局一位真正的植物學家Bruce Bugbee稱，我們是可以在火星上栽種土豆的，而且可以在火星上種植的不單單只有土豆。事實上，美國宇航局已經在實驗室中進行了模擬食物種植，他們所使用的土壤都是模擬真正火星土壤的蘆搜PH值指陵和化學構成。科學家們已經在模擬土壤中種植了數十種作物。火星稀薄的大氣擁有許多二氧化碳，植物可以藉助它們從太陽獲取能量。植物能夠吸收二氧化碳並釋放氧氣，從而將火星改造成一個更適宜人類居住的星球，讓火星擁有可以自由呼吸的大氣。
但是他也提出了一項關鍵的問題:「這本科幻小說(或者說電影)中提出，將人類糞便直接排泄到植物上，這種做法會給植物帶來微生物威脅。人類的排泄物需要先進行堆肥發酵處理。」 另一位科學家Green也提出:「馬克·沃特尼也完陪逗歷全能夠避開使用火箭燃料製造液態水的危險化學反應。事實上，他完全可以找到一種方法從地表下提取水分，或者就從空氣中進行提取。」

D. 看電影《火星救援》之前需要了解哪些基本的科學知識

▍火星風暴

故事的起因是火星上突然而來的風暴，風速高達每小時180公里，幾乎摧毀了讓隊員們離開火星的火箭，他們只好提前離開。據果殼網最新一期《科學棒棒棒》主編徐來介紹，火星上形成不了180公里時速的風暴，因為180公里時速的風暴相當15級的強台風。可是火星的大氣壓只有地球的1%，從風的動能來說只相當4級的風。這其實是電影的一個技術bug，雖然原著作者Andy·Weir知道這個問題，不過為了飢李劇情需要他還是利用了這個bug。

▍火星日

月球的重力是地球的 6 分之一，而火星的重力乃地球 2.5 分之一，火星也有自轉與公轉，如果我們依據太陽運動來定義時間，那火星一天的時間為：24 小時 39 分鍾 35.24409 秒，比地球太陽日長 2.7%。因此使用火星日便是根據火星的生態作息來過生活。

▍火星上種土豆

在火星上種土豆不是一件簡單的事情，雖然男主是加州大學的植物學家，但是他並不擅長種土豆。種土豆不光需要活的土豆，還需要陽光、氧氣、二氧化碳和水。

目前科學界認為火星的土壤真的可以種蔬菜，不過要成功可不簡單，曾經有研究人員利用火星上探測器的數據，在地球上彷造火星的土壤，結果成功地讓植物發芽、生長，不過只活50天。除了以上的因素之外，還需要養分，男主是一位植物學家，他看一眼真空廁所就找到了方法，因為糞便中微生物，可以得到植物所需要的養分和礦物質。不過，在火星上種土豆最重要的是：水！

▍水從哪裡來

男主為了種活土豆，他想到利用留下來的火箭燃料。火箭的燃料是「聯氨」（hydrazine，N2H4 ）通過燃燒裡面的氫原子與周圍的氧氣結合，就會產生水：N2H4 + O2 → N2 + 2H2O。不過聯氨是傳統的火箭燃料，是有毒的物質，燃燒的過程一個不小心還會爆炸。所以男主沒有直接燃燒燃料，而是先用催化劑，把火箭燃料分離成了氮氣和氫氣。

我們知道氫氣和氧氣一起燃燒就會生成水，不過氫氣經常不能夠充分燃燒，會有小部分逃逸出來，聚集多了之後就會可能引發爆炸。不過男主馬特·達蒙反其道而行之，讓氧氣在氫氣中燃燒，為此他製作了一個設備，在其中充滿了氫氣，然後把氧氣一點點輸入進去，讓氧氣在氫氣中充分燃燒。但是他忘了自己呼出的氣體當中，也是包含氧氣的，這一點造成了後來的爆炸。最後他發現了這裡面的bug，戴上頭盔才解決這一bug。事實上，在Andy·Weir寫《火星救援》的時候，NASA就宣布了火星表面上有液態水，某些地區每到夏天就會有深色的「水漬」往山谷流下。

▍火星任務

NASA開展一次火星任務從開始到結束需要三年時間，前期需要大量的時間分成14次無人飛行任務運送物資到火星固定位置上。物資到位後，宇航員以常規方式進入地球軌道，乘飛船登上赫爾墨斯號。在准備期間，會有四次無人飛行任務為宇航員運送燃料和給養。一旦所有工作準備完成，宇航員就啟程飛向火星。花上數天時間，消耗大量化學燃料，將飛船送入火星軌道。進入火星爛鎮遲軌道後，宇航員乘坐MDV（降落倉）抵達火星地表。他們結束31個火星日的任務後，MAV（返航倉）將他們送回赫爾墨斯號。

▍登陸火星

電影《火星救援》虛構了「Ares3號任務」搭載離子推進器的赫耳墨斯號飛船實現人類首次登陸火星。而離子推進器則是真實存在的科技，NASA位於格倫研究中心的電子推進實驗室，其」演進氙離子推進器"(簡稱NEXT)引擎，該7千瓦推進器旨在推動NASA未來的深空探測器，可達到時速32.1萬公里的推進力。"NEXT"的全稱為"NASA's Evolutionary Xenon Thruster"，NEXT離子推進器是取代燃料火箭(工質)，更適合太空飛行的(非工質)動力引擎。

▍火星救援難度

火星救援最困難的是如何離開火星表面。這就是為什麼有人想出了有去無回的殖民計劃，因為返航實在太難了。想想我們用來離開地球的火箭，那往往是非常巨大的；再比較一下月球登陸艙：小小的一隻盒子，就能飛離月球表面了。這就是重力和大氣造成的區別。當有人說起甲烷氧氣燃料，他們說的是從火星大氣中製造燃料的做法，這就是MAV（返航倉）起飛的方式，它先是在火星上降落，然後就待在那裡製造燃料。如果你能用火星大氣造出15000公斤的火箭燃料，那就相當於可以隨身少帶15000公斤燃料。

▍火星探測旅居者號

男主如何開著火星探測旅居者號駛過3200公里？主要是直接用太陽能板給蓄電池充電。同時為了保暖，男主做旅察了一件被禁止的事情，就是挖出前幾次任務裝有2.6千克同位素鈈238的發電機，相當於一台大概1500瓦左右的取暖器。男主就是靠太陽能充電和鈈238的發電機取暖，駛過3200公里到了救援准備地點。

▍十六進制

16進制是計算機中數據的一種表示方法。同我們日常生活中的表示法不一樣。它由0-9，A-F組成，字母不區分大小寫。與10進制的對應關系是：0-9對應0-9；A-F對應10-15；N進制的數可以用0到(N-1)的數表示，超過9的用字母A-F。男主和地球圖片交流的時候為什麼要用16進制呢？不是還有二進制，十進制么？其實答案很簡單，那就是編成代碼會比較短。畢竟火星到地球發張照片就要半個小時，所以如果用二進制0101寫不得寫死。而如果用26個字母呢？主角也說了，一個圓劃分得太細，不容分的清，造成信息誤讀反而減低效率。

▍星際通訊

電影中常常出現「用衛星來通訊」這個橋段，當然這件事情如果是只限定在地球上的話，從物理的角度來看是沒有錯的。我們行動電話所使用的通訊是透過無線電，基本上無線電只能夠直線前進，高山與大樓都會阻隔無線電訊號，所以地面上需要設立很多無線電基地台。就算沒有高山或大樓，地球本身也是球型，地球表面上就不可能有一條直線(不是弧線)把台灣與美國直接連起來。

所以就需要把訊號發射到天上的衛星，再從天上的衛星把訊號再傳到地球的另一邊。這種衛星就是通訊衛星，通常在地球的同步軌道上，同步衛星在地球赤道面上繞一圈24小時，與地球自轉時間相同，所以從地面上來看，相對於地球上是靜止在同一位置。

只要是同步衛星的訊號范圍內，就可以在任何一個時間做通訊。本片的場景包函了火星與地球，理論上火星與地球可以經由地面上的天線站，經由無線電訊號的傳送直接聯絡、也可以讓地面上的天線站透過火星與地球中間的衛星傳遞無線電訊號來聯絡。無線電訊號基本上是走直線的，因為火星與地球都會自轉，地面天線站隨著火星與地球的自轉，轉到無法讓無線電順利的傳送時，火星和地球就無法聯絡了。

▍中國宇航局在救援中的作用

中國宇航局主要作用是，將中國的太陽神火箭協助美國把愛麗絲號（MAV，男主最後回來的座駕）送到火星，NASA總結出兩份計劃：一是把愛麗絲號直接用太陽神送到火星，讓瓦特尼等到戰神四號的組員抵達；二是把愛麗絲號送到正在減速的哈美斯號（Hermes），並讓其加速，進行重力助推前往火星，把男主接走。NASA選擇了第一個，但有人秘密地把計劃二的內容告知戰神三號的組員，並在全員贊成的情況下告知控制中心，讓他們發射火箭，把愛麗絲號送上來。

▍為什麼要盡可能扔掉返航倉的東西

噴氣推進實驗室的研究員發現：因哈美斯號進行重力助推後速度較快，只能進入較高軌道，而上升載具要載著一個人到達這個高度，必需減掉五千公斤的質量。因此，他們指示瓦特尼到達後把鼻錐、窗戶、控制台、座椅等等拆掉，僅剩下一張椅子和船殼，並從哈美斯號遙控升空。

E. 火星救援種土豆的事可行嗎未來火星建立基地的可能性有多大

隨著我國天問一號的成功發射，關於火星是否能夠滿足我們生活需求的問題再次被芹納熱議，那麼，像影視劇種在火星上種土豆的事情能夠發生嗎？未來人類在火星建立基地的可能性有多大？

在科幻電影火星救援當中有這么一幕，男主在被困火星食物短缺的情況下，自己搞了個溫室培育土壤種土豆，最後還成功了，那麼這是否說明利用電影中的方法，人類在火星上就能夠種植土豆呢？其實真實的情況遠遠沒有這么簡單。

首先我們來看電影中土豆是如何種植成功的，男主先弄了個溫室，然後將土豆埋在土壤里，用太空基地收集的人類糞便來充當養料，最後再將火箭發動機所使用的聯氨用銥催化，分解為氫氣和氮氣，再將氫氣燃燒得到水，進行澆灌，最終長出了土豆。其實這種方法如果在科學的角度進行分析的話，模渣男主這樣無論如何也是種不出土豆的。

因為如果要中出土豆，種子先得進行相關處理，直接埋在土裡是不行的，其次用人的排泄物進行施肥是最大的BUG，因為土豆這類植物並不能直接吸收糞便當中的有機物，正確的做法應該是先將糞便進行堆肥發酵處理，降低其中的有害物質，在進行使用。所以說如果能處理好上述的一些細節，在旦首悄火星上種出土豆不是不可能的事情，甚至連其他的一些植物也可以進行種植。

而關於人類未來會不會建立火星基地的事情，我認為在未來這個情況是會發生的，隨著人類工業的不斷進步，地球已經遠不如之前那樣 健康 ，這從海平面上升、異常天氣等就可以看出來，如果按照現在的發展趨勢，總有一天人類在地球上將沒有立足之地。所以尋找一個可供人類再發展的星球非常重要，而火星則是最好的選擇。

在自轉和公轉周期，以及太陽照射度等方面，火星和地球相差不多，美國甚至已經在火星上發現了存在水的痕跡，這是建立外星基地最基本的保障，現階段美國的多次探火星計劃都取得了不錯的成果，這些計劃就相當於一個前哨一樣，為未來火星基地的建立提供了保障。雖說在現在以及未來一段時間里，人類建立火星基地的可能性還不大，但是隨著太空技術的再進步，建立火星基地將會是板上釘釘的事情

F. 電影火星救援評價如何

《火星救援》的評價挺好，宇航員馬克獨自被困火星，驚險刺激、有趣，是好科幻片。

印象深刻的是男主受傷後偶然的給一球拍出個血手印，接著給球畫出臉，插上頭發，跟球說起話。

妙啊！體現孤獨感。也是好片。

G. 火星救援里的火星土壤問題

火星的土壤缺乏營養，地球上的泥土首先有細菌，能夠從大氣中汲取氮為土地增加肥力，更不用說各種動植物屍體腐爛而產生的營養物質了；但火星沒有這些條件（「好奇號」對火星岩石樣本的分析中僅發現了一些金屬元素和少量的氮、氫、氧、磷）。

在電影《火星救援》中，男主角被困火星，為填飽肚子生存，只得以糞便為肥料，種土豆為食，才在火星上苦撐500天後等到救援。如今，NASA真要在火星種土豆了，目標是將來在火星設立種植基地。

NASA與CIP將開始在地球上類似火星的環境中培育土豆，希望最終在火星上建造一個可控制氣候的「穹頂」，來種植這種古老的農作物。該團隊將在實驗室中復制火星的如轎大氣條件，使用來自潘帕斯德拉霍亞敏橡配沙漠的土壤，這種土壤據稱幾乎與火星上發現的土壤完全相同。

影片評論：

以目前人類的技術水準，要在火星上種植土豆不是不可能，只是完全沒有經橋指濟效益。由於需要解決前文提到的這些問題，所以可能還不如直接運上去來的便宜。像《火星救援》中的這個例子其實更多是在向我們展示人類航天事業的艱難，以及航天員那種遇到困難不放棄的精神。

H. 《火星救援》的主角為何是種土豆，而不是其它作物

馬鈴薯營養豐富，含有碳水化合物、維生素、氨基酸、胡蘿卜素和礦物質，被蔬菜銷碰專家譽為「完美」。

土豆富含VC。壞血病(缺乏VC)常發生在歐洲水手身上。檸檬汁雖然可以治療壞血病，但是濃縮檸檬汁價格太貴，無法推廣；後來發現土豆也可以治壞血病，所以出海的人會大量攜帶土豆，從而消除壞血病的爆發。

總之，在火星上種植土豆理論上是可能的，但事實還有待進一步驗證。隨著科技和航天技術的不斷發展，我認為一切皆有可能。