从土壤角度分析电影火星救援

A. 电影《火星救援》中存在哪些漏洞

在我个人看来，《火星救援》的故事发生在不远的未来，其时代背景和当下变化不大，本来火星载人勘探计划就早已板上钉钉地被提上了议事日程。因此，导演雷德利-斯科特秉承尊重科学事实的基本态度，将已经诞生或尚在规划中的人类科学成果在电影里展现出来：火星居住中心、巡游车、氧气制造技术、太空农场等。电影巧妙地在马克独白性质的视频日志加上硬科幻内容，以及片尾的全球直播，都让影片有一种纪录片般的真实。

怎么样？如果喜欢我的回答的话欢迎给我留言和点赞吧~

B. 《火星救援》中的地理问题

在一次人类登陆火星的任务中，宇航员马克·沃特尼（马特·达蒙 Matt Damon 饰）经历了一场恶劣的风暴后，与他的机组成员失联，所有人都认为他在这次任务中丧生。然而，马克却幸运地活了下来，然而他发现自己孤单地置身于异星球。面对贫乏的生命补给，马克必须用他的聪明才智和顽强的精神存活下来，并找寻向地球发出“他还活着”求救信号的方法，而地球上的人也面临着是否前往火星去拯救厅亩他的分歧。

我们先聊一下

1、 火星

火星（Mars）是太阳系八大行星之一，天文符号是♂，是太阳系由内往外数的第四颗行星，属于类地行星，直径约为地球的53%，自转轴倾角、自转周期均与地球相近，公转一周约为地球公转时间的两倍。橘红色外表是地表的赤铁矿（氧化铁）。我国古书上将火星称为“荧惑”，西方古代（古罗马）称为“战神玛尔斯星”。

火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布且没有稳定的液态水体（前不久，美国宇航局公布火星上有少量的水）。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠会随着季节消长。

与地球相比，火星地质活动较不活跃，地表地貌大部份于远古较活跃的时期形成，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山：奥林帕斯山和最大的峡谷：水手号峡谷。另一个独特的地形特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原。

2、火星尘暴

火星表面的尘暴，是火星大气中独有的现象，整个火星一年中有1/4的时间都笼罩在漫天飞舞的狂沙之中。由于火星土壤含铁量甚高，导致火星尘暴染上了桔红的色彩，空气中充斥着红色尘埃，从地球上看去，犹如一片桔红色的云。

形成全球性大尘暴后，太阳对火星表面的加热作用开始减弱，火星上温差减小，尘埃逐渐平息下来，回降到表面，一次长达好几个月的大尘暴就这样结束了。大风暴有时可以席卷整个星球。

火星尘暴是火星大气中独有的现象，这种现象是发生在火星运行到轨道近日点前后。科学家们认为，这是因为此时太阳对火星表面的加热作用比较大，热空气上升，尘埃扬起，尘暴开始形成，并且慢慢扩展。

3、火星大气

火星的大气密度只有地球的大约1%，非常干燥，温度低，表面平均温度零下55℃，水和二氧化碳易冻结。在火星的早期，它与地球十分相似。像地球一样，火星上几乎所有的二氧化碳都被转化为含碳的岩石。但由于缺少地球的板块运动，火星无法使二氧化碳再次循环到它的大气中，从而无法产生意义重大的温室效应。因此，即使把它拉到与地球距太阳同等距离的位置，火星表面的温度仍比地球上的冷得多。

火星的两极永久地被固态二氧化碳（干冰）覆盖着。这个冰罩的结构是层叠式的，它是由冰层与变化着的二氧化碳层轮流叠加而成。在北部的夏天，二氧化碳完全升华，留下剩余的冰水层。由于南部的二氧化碳从没有完全消失过，所以我们无法知道在南部的冰层下是否也存在着冰水层（左图）。这种现象的原因还不知道，但或许是由于火星赤道面与其运行轨道之间的夹角的长期变化引起气候的变化造成的。或许在火星表面下较深处也有水存在。这种因季节变化而产生的两极覆盖层的变化使火星的气压改变了25%左右。（由海盗号测量出）。但是通过哈勃望远镜的观察却表明海盗号当时勘测时的环境并非是典型的情况。火星的大气似乎比海盗号勘测出的更冷、更干。

4、 火星日

是指火星上一“昼夜”的时间，即火星上的一个太阳日。火星的一个恒星日的平均长度是24小时37分22.663秒，而火星的一个太阳日平均为88775.24409秒或24小时39分35.24409秒[7]。火星的平均太阳日仅比地球长近2.7%。

火星与地球一样存在均时差，它可以通过火星的日行迹来计算。由于火星的轨道离心率比地球大，所以局伏型火星的太阳日长度相当不恒定。平均一天的长度变化幅度比地球大很多，在火星上，太阳比火星钟表的运行有时要慢50分钟，有时又可快40分钟。

5、火星地貌

火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷，火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布。由于重力较小等因素，地形尺寸与地球相比亦有不同的地方。南北半球的地形有着强烈的对比：北方是被熔岩填平的低原，南方则是充满陨石坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷亦分布各地，南桐猜北极则有以干冰和水冰组成的极冠，风成沙丘亦广布整个星球。

火星的火山和地球的不太一样，除了重力较小使山能长的很高之外，缺乏明显的板块运动，使火山分布是以热点为主，不像地球有火环的构造。火星的火山主要分布于塔尔西斯高原、埃律西姆地区和零星分布于南方高原上，例如希腊平原东北的泰瑞纳山（Tyrrhena Patera）。

6、火星土豆

在电影《火星救援》中，男主角被困火星，为填饱肚子生存，只得以粪便为肥料，种土豆为食，才在火星上苦撑500天后等到救援。如今，NASA真要在火星种土豆了，目标是将来在火星设立种植基地。

NASA与CIP将开始在地球上类似火星的环境中培育土豆，希望最终在火星上建造一个可控制气候的“穹顶”，来种植这种古老的农作物。该团队将在实验室中复制火星的大气条件，使用来自潘帕斯德拉霍亚沙漠的土壤，这种土壤据称几乎与火星上发现的土壤完全相同。

CIP解释道：“火星的大气中95%是二氧化碳，高浓度的二氧化碳将有利于土豆的生长，其收成将是正常地球环境下的两到四倍。如果成功，CIP和NASA将成为未来太空农业的先驱。”

为什么选择种土豆？农业学家们一直在宣传种土豆的好处，因为土豆中不仅富含膳食纤维，营养丰富，还能在恶劣条件下生长。关于土豆种植的记录最早能追溯到公元前2500年。目前，世界上诸多国家将土豆当作主粮，比如欧洲国家人均年消费量稳定在50－60公斤，俄罗斯人均消费量达到170多公斤。

最低气温零下153℃，没有水源，土壤成分不合适，没有氧气，在火星上种土豆真的可行吗？其实，NASA已经在实验室中模拟火星的土壤和空气环境，并成功种植了十余种植物。

7、火星的冰

2007年三月，NASA就声称，南极冠的冰假如全部融化，可覆盖整个星球。

 推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere），只有当火山活动时才有可能释放出来。史上最大的一次是在 水手谷 形成时，大量水释出，造成的洪水刻划出众多的河谷地形，流入 克里斯平原 。另一次较小的一次，是在五百万年前科伯洛斯槽沟（Cerberus Fossae）形成时，释出的水在埃律西姆平原（Elysium Planitia）形成冰海，至今仍能看见痕迹

《火星救援》中是这么取水的：

第一步，取出火箭燃料联氨， 随后用在铱的催化下，联氮就会分解成氢气和氮气。 接着，引导氢气到一个空间点燃，那么水就会生成。N2H4 + O2 → N2 + 2H2O，这就是整个过程的反应式。

2015年9月29日，美国宇航局称最新证据表明此前在火星表面一些陨坑坑壁上观察到的神秘暗色条纹可能与间歇性出现的液态水体有关。来自卫星的数据表明这些出现在坑壁上的暗色条纹可能是含盐水体沉积过程产生的结果。尤为关键的一点在于，这种含盐水体将能够改变火星表面水体的冰点与沸点，从而使得液态水体在火星地表的存在成为可能。

8、火星救援想告诉我们什么？

《火星救援》的意义远不止能让20世纪福斯赚的盆满钵满，它会重燃人类探索太空的渴望，它将激励新一代宇航员的诞生。观看达蒙的太空独角戏是种享受，在他的诠释下，主人公马克火星求生的奇迹很有说服力

我们看一下马克的遗言：

如果我死了，我需要你去拜访一下我的父母。

虽然我知道这很难，因为你很难跟一对年迈的父母谈论他在火星上死去的儿子。

我没有放弃，我每天都在努力。

请告诉他们，告诉他们我爱我的工作。

而且我的牺牲，是为了大事，美好的，可能改变人类的大事。

剩下的，你们自己解读吧

C. 技术宅看《火星救援》：生活舱里真能种土豆吗

生活舱里真能种土豆，事实上生活舱里能种植的不单单只有土豆。
美国宇航局一位真正的植物学家Bruce Bugbee称，我们是可以在火星上栽种土豆的，而且可以在火星上种植的不单单只有土豆。事实上，美国宇航局已经在实验室中进行了模拟食物种植，他们所使用的土壤都是模拟真正火星土壤的芦搜PH值指陵和化学构成。科学家们已经在模拟土壤中种植了数十种作物。火星稀薄的大气拥有许多二氧化碳，植物可以借助它们从太阳获取能量。植物能够吸收二氧化碳并释放氧气，从而将火星改造成一个更适宜人类居住的星球，让火星拥有可以自由呼吸的大气。
但是他也提出了一项关键的问题:“这本科幻小说(或者说电影)中提出，将人类粪便直接排泄到植物上，这种做法会给植物带来微生物威胁。人类的排泄物需要先进行堆肥发酵处理。” 另一位科学家Green也提出:“马克·沃特尼也完陪逗历全能够避开使用火箭燃料制造液态水的危险化学反应。事实上，他完全可以找到一种方法从地表下提取水分，或者就从空气中进行提取。”

D. 看电影《火星救援》之前需要了解哪些基本的科学知识

▍火星风暴

故事的起因是火星上突然而来的风暴，风速高达每小时180公里，几乎摧毁了让队员们离开火星的火箭，他们只好提前离开。据果壳网最新一期《科学棒棒棒》主编徐来介绍，火星上形成不了180公里时速的风暴，因为180公里时速的风暴相当15级的强台风。可是火星的大气压只有地球的1%，从风的动能来说只相当4级的风。这其实是电影的一个技术bug，虽然原著作者Andy·Weir知道这个问题，不过为了饥李剧情需要他还是利用了这个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，火星也有自转与公转，如果我们依据太阳运动来定义时间，那火星一天的时间为：24 小时 39 分钟 35.24409 秒，比地球太阳日长 2.7%。因此使用火星日便是根据火星的生态作息来过生活。

▍火星上种土豆

在火星上种土豆不是一件简单的事情，虽然男主是加州大学的植物学家，但是他并不擅长种土豆。种土豆不光需要活的土豆，还需要阳光、氧气、二氧化碳和水。

目前科学界认为火星的土壤真的可以种蔬菜，不过要成功可不简单，曾经有研究人员利用火星上探测器的数据，在地球上彷造火星的土壤，结果成功地让植物发芽、生长，不过只活50天。除了以上的因素之外，还需要养分，男主是一位植物学家，他看一眼真空厕所就找到了方法，因为粪便中微生物，可以得到植物所需要的养分和矿物质。不过，在火星上种土豆最重要的是：水！

▍水从哪里来

男主为了种活土豆，他想到利用留下来的火箭燃料。火箭的燃料是“联氨”（hydrazine，N2H4 ）通过燃烧里面的氢原子与周围的氧气结合，就会产生水：N2H4 + O2 → N2 + 2H2O。不过联氨是传统的火箭燃料，是有毒的物质，燃烧的过程一个不小心还会爆炸。所以男主没有直接燃烧燃料，而是先用催化剂，把火箭燃料分离成了氮气和氢气。

我们知道氢气和氧气一起燃烧就会生成水，不过氢气经常不能够充分燃烧，会有小部分逃逸出来，聚集多了之后就会可能引发爆炸。不过男主马特·达蒙反其道而行之，让氧气在氢气中燃烧，为此他制作了一个设备，在其中充满了氢气，然后把氧气一点点输入进去，让氧气在氢气中充分燃烧。但是他忘了自己呼出的气体当中，也是包含氧气的，这一点造成了后来的爆炸。最后他发现了这里面的bug，戴上头盔才解决这一bug。事实上，在Andy·Weir写《火星救援》的时候，NASA就宣布了火星表面上有液态水，某些地区每到夏天就会有深色的“水渍”往山谷流下。

▍火星任务

NASA开展一次火星任务从开始到结束需要三年时间，前期需要大量的时间分成14次无人飞行任务运送物资到火星固定位置上。物资到位后，宇航员以常规方式进入地球轨道，乘飞船登上赫尔墨斯号。在准备期间，会有四次无人飞行任务为宇航员运送燃料和给养。一旦所有工作准备完成，宇航员就启程飞向火星。花上数天时间，消耗大量化学燃料，将飞船送入火星轨道。进入火星烂镇迟轨道后，宇航员乘坐MDV（降落仓）抵达火星地表。他们结束31个火星日的任务后，MAV（返航仓）将他们送回赫尔墨斯号。

▍登陆火星

电影《火星救援》虚构了“Ares3号任务”搭载离子推进器的赫耳墨斯号飞船实现人类首次登陆火星。而离子推进器则是真实存在的科技，NASA位于格伦研究中心的电子推进实验室，其”演进氙离子推进器"(简称NEXT)引擎，该7千瓦推进器旨在推动NASA未来的深空探测器，可达到时速32.1万公里的推进力。"NEXT"的全称为"NASA's Evolutionary Xenon Thruster"，NEXT离子推进器是取代燃料火箭(工质)，更适合太空飞行的(非工质)动力引擎。

▍火星救援难度

火星救援最困难的是如何离开火星表面。这就是为什么有人想出了有去无回的殖民计划，因为返航实在太难了。想想我们用来离开地球的火箭，那往往是非常巨大的；再比较一下月球登陆舱：小小的一只盒子，就能飞离月球表面了。这就是重力和大气造成的区别。当有人说起甲烷氧气燃料，他们说的是从火星大气中制造燃料的做法，这就是MAV（返航仓）起飞的方式，它先是在火星上降落，然后就待在那里制造燃料。如果你能用火星大气造出15000公斤的火箭燃料，那就相当于可以随身少带15000公斤燃料。

▍火星探测旅居者号

男主如何开着火星探测旅居者号驶过3200公里？主要是直接用太阳能板给蓄电池充电。同时为了保暖，男主做旅察了一件被禁止的事情，就是挖出前几次任务装有2.6千克同位素钚238的发电机，相当于一台大概1500瓦左右的取暖器。男主就是靠太阳能充电和钚238的发电机取暖，驶过3200公里到了救援准备地点。

▍十六进制

16进制是计算机中数据的一种表示方法。同我们日常生活中的表示法不一样。它由0-9，A-F组成，字母不区分大小写。与10进制的对应关系是：0-9对应0-9；A-F对应10-15；N进制的数可以用0到(N-1)的数表示，超过9的用字母A-F。男主和地球图片交流的时候为什么要用16进制呢？不是还有二进制，十进制么？其实答案很简单，那就是编成代码会比较短。毕竟火星到地球发张照片就要半个小时，所以如果用二进制0101写不得写死。而如果用26个字母呢？主角也说了，一个圆划分得太细，不容分的清，造成信息误读反而减低效率。

▍星际通讯

电影中常常出现“用卫星来通讯”这个桥段，当然这件事情如果是只限定在地球上的话，从物理的角度来看是没有错的。我们行动电话所使用的通讯是透过无线电，基本上无线电只能够直线前进，高山与大楼都会阻隔无线电讯号，所以地面上需要设立很多无线电基地台。就算没有高山或大楼，地球本身也是球型，地球表面上就不可能有一条直线(不是弧线)把台湾与美国直接连起来。

所以就需要把讯号发射到天上的卫星，再从天上的卫星把讯号再传到地球的另一边。这种卫星就是通讯卫星，通常在地球的同步轨道上，同步卫星在地球赤道面上绕一圈24小时，与地球自转时间相同，所以从地面上来看，相对于地球上是静止在同一位置。

只要是同步卫星的讯号范围内，就可以在任何一个时间做通讯。本片的场景包函了火星与地球，理论上火星与地球可以经由地面上的天线站，经由无线电讯号的传送直接联络、也可以让地面上的天线站透过火星与地球中间的卫星传递无线电讯号来联络。无线电讯号基本上是走直线的，因为火星与地球都会自转，地面天线站随着火星与地球的自转，转到无法让无线电顺利的传送时，火星和地球就无法联络了。

▍中国宇航局在救援中的作用

中国宇航局主要作用是，将中国的太阳神火箭协助美国把爱丽丝号（MAV，男主最后回来的座驾）送到火星，NASA总结出两份计划：一是把爱丽丝号直接用太阳神送到火星，让瓦特尼等到战神四号的组员抵达；二是把爱丽丝号送到正在减速的哈美斯号（Hermes），并让其加速，进行重力助推前往火星，把男主接走。NASA选择了第一个，但有人秘密地把计划二的内容告知战神三号的组员，并在全员赞成的情况下告知控制中心，让他们发射火箭，把爱丽丝号送上来。

▍为什么要尽可能扔掉返航仓的东西

喷气推进实验室的研究员发现：因哈美斯号进行重力助推后速度较快，只能进入较高轨道，而上升载具要载着一个人到达这个高度，必需减掉五千公斤的质量。因此，他们指示瓦特尼到达后把鼻锥、窗户、控制台、座椅等等拆掉，仅剩下一张椅子和船壳，并从哈美斯号遥控升空。

E. 火星救援种土豆的事可行吗未来火星建立基地的可能性有多大

随着我国天问一号的成功发射，关于火星是否能够满足我们生活需求的问题再次被芹纳热议，那么，像影视剧种在火星上种土豆的事情能够发生吗？未来人类在火星建立基地的可能性有多大？

在科幻电影火星救援当中有这么一幕，男主在被困火星食物短缺的情况下，自己搞了个温室培育土壤种土豆，最后还成功了，那么这是否说明利用电影中的方法，人类在火星上就能够种植土豆呢？其实真实的情况远远没有这么简单。

首先我们来看电影中土豆是如何种植成功的，男主先弄了个温室，然后将土豆埋在土壤里，用太空基地收集的人类粪便来充当养料，最后再将火箭发动机所使用的联氨用铱催化，分解为氢气和氮气，再将氢气燃烧得到水，进行浇灌，最终长出了土豆。其实这种方法如果在科学的角度进行分析的话，模渣男主这样无论如何也是种不出土豆的。

因为如果要中出土豆，种子先得进行相关处理，直接埋在土里是不行的，其次用人的排泄物进行施肥是最大的BUG，因为土豆这类植物并不能直接吸收粪便当中的有机物，正确的做法应该是先将粪便进行堆肥发酵处理，降低其中的有害物质，在进行使用。所以说如果能处理好上述的一些细节，在旦首悄火星上种出土豆不是不可能的事情，甚至连其他的一些植物也可以进行种植。

而关于人类未来会不会建立火星基地的事情，我认为在未来这个情况是会发生的，随着人类工业的不断进步，地球已经远不如之前那样 健康 ，这从海平面上升、异常天气等就可以看出来，如果按照现在的发展趋势，总有一天人类在地球上将没有立足之地。所以寻找一个可供人类再发展的星球非常重要，而火星则是最好的选择。

在自转和公转周期，以及太阳照射度等方面，火星和地球相差不多，美国甚至已经在火星上发现了存在水的痕迹，这是建立外星基地最基本的保障，现阶段美国的多次探火星计划都取得了不错的成果，这些计划就相当于一个前哨一样，为未来火星基地的建立提供了保障。虽说在现在以及未来一段时间里，人类建立火星基地的可能性还不大，但是随着太空技术的再进步，建立火星基地将会是板上钉钉的事情

F. 电影火星救援评价如何

《火星救援》的评价挺好，宇航员马克独自被困火星，惊险刺激、有趣，是好科幻片。

印象深刻的是男主受伤后偶然的给一球拍出个血手印，接着给球画出脸，插上头发，跟球说起话。

妙啊！体现孤独感。也是好片。

G. 火星救援里的火星土壤问题

火星的土壤缺乏营养，地球上的泥土首先有细菌，能够从大气中汲取氮为土地增加肥力，更不用说各种动植物尸体腐烂而产生的营养物质了；但火星没有这些条件（“好奇号”对火星岩石样本的分析中仅发现了一些金属元素和少量的氮、氢、氧、磷）。

在电影《火星救援》中，男主角被困火星，为填饱肚子生存，只得以粪便为肥料，种土豆为食，才在火星上苦撑500天后等到救援。如今，NASA真要在火星种土豆了，目标是将来在火星设立种植基地。

NASA与CIP将开始在地球上类似火星的环境中培育土豆，希望最终在火星上建造一个可控制气候的“穹顶”，来种植这种古老的农作物。该团队将在实验室中复制火星的如轿大气条件，使用来自潘帕斯德拉霍亚敏橡配沙漠的土壤，这种土壤据称几乎与火星上发现的土壤完全相同。

影片评论：

以目前人类的技术水准，要在火星上种植土豆不是不可能，只是完全没有经桥指济效益。由于需要解决前文提到的这些问题，所以可能还不如直接运上去来的便宜。像《火星救援》中的这个例子其实更多是在向我们展示人类航天事业的艰难，以及航天员那种遇到困难不放弃的精神。

H. 《火星救援》的主角为何是种土豆，而不是其它作物

马铃薯营养丰富，含有碳水化合物、维生素、氨基酸、胡萝卜素和矿物质，被蔬菜销碰专家誉为“完美”。

土豆富含VC。坏血病(缺乏VC)常发生在欧洲水手身上。柠檬汁虽然可以治疗坏血病，但是浓缩柠檬汁价格太贵，无法推广；后来发现土豆也可以治坏血病，所以出海的人会大量携带土豆，从而消除坏血病的爆发。

总之，在火星上种植土豆理论上是可能的，但事实还有待进一步验证。随着科技和航天技术的不断发展，我认为一切皆有可能。