第 5.2 节：环境范围
这项研究截至 2012 年 11 月仍处于初步阶段
这项设计研究是人类扩张 (HE) 计划概念设计的一部分。HE 计划的目标之一是将文明扩展到更困难的区域，同时提升技术水平和生活质量。本研究的目标是确定人们现在居住区域的参数范围，然后根据这些参数推导出未来区域的困难和极端范围。我们将人们现在居住的中间 90% 作为每个参数的现有范围，两端各占 5%。中间 90% 被描述为 **温带**，而超过温带范围 10% 和 20% 的水平分别被称为 **困难** 和 **极端**。
研究将分两个部分进行。第一部分将进行初步估计，以便 HE 计划设计的其他部分可以开始使用这些信息。第二部分将更详细地调查人们的居住地，并生成更精确的值。整个 HE 计划将以 2013 年初作为基准进行参考。**美国人口普查局**预计 2013 年初人口将达到 70.62 亿，因此 5% 为 3.53 亿。更详细的人口分析将从世界统计数据中提取。
在 HE 需求分析中选择了七个环境参数和四个时间和距离参数，以确定是什么构成了一个困难或极端的区域。在以下参数列表中，我们将首先定义参数是什么，然后讨论我们如何估计 90% 的温带范围。我们还将讨论地球上极端范围的实际限制。一旦达到地球上的实际限制，或者超过了太空中发现的范围，我们将使用太空中更困难的区域。
**定义** - 在地球上，这是冬季每日气温低点，以及夏季每日高温，以开尔文和摄氏度表示。对于太空位置，这是 50% 灰色物体的一侧朝向太阳，另一侧朝向背面的平衡温度。
**估计** - 通过检查世界地图，居住在遥远北部的人口明显多于遥远南部的人口。北欧、俄罗斯、部分西藏、中国北部和加拿大可能拥有 3.5 亿寒冷气候居民。许多人生活在赤道/炎热气候中，但极端情况出现在干旱气候中，在那里水蒸气不会调节每日温度范围。我们粗略估计 260 K (-13 C) 作为 1 月份的平均每日低点，310 K (37 C) 作为 7 月份的平均每日高温，作为温带范围的界限。
**限制** - 超过温带范围 10%，即 25-30K，对于人类气候来说是一个相当大的范围，因此地球位置可能只有一个或两个非常寒冷的地表气候，而没有炎热的地表气候。某些位置的地下深处可能达到极高的温度。
**定义** - 这是来自降雨和降雪、河流和冰川径流以及空气湿度的新鲜水供应，以米/区域/年表示。由于淡水的密度为 1 吨/米3，因此这等效于吨/米2。海水不计入淡水供应，但蒸发量除外。地下含水层代表降雨或水运输的径流，但不包括仅从储存中抽取的水量，因为这不可持续。许多人生活在河流附近，河流提供充足的淡水流量。我们将可用河流流量分配到当地土地区域，因此可能难以找到高于该流量的高范围区域。干旱地区的水流量较低，这种情况很常见。
**估计** - 我们使用地球上 0.25 和 2.5 米的值作为温带范围，这是基于沙漠和湿润气候的降雨定义。这需要更多来自气候数据的支持。
**限制** - 地球上降雨量最少的地区是阿塔卡马沙漠，平均每年降雨量为 0.001 米。我们可以通过假设亚马逊河的流量为 200,000 立方米/秒，并分配给主河及其支流最近的 10% 的流域，得到一个上限估计。考虑到总面积为 700 万平方公里，这将产生 9 米/年的水供应量。降雨量最高的地区大约为 11 米/年。因此，我们将采用 10 米/年作为极端上限值。太空位置的范围从内太阳系的几乎为零，到当大量冰体或含水体在可达范围内通过时适度，到覆盖着冰体的卫星或天体的非常高不等。
**定义** - 平均位置气压，以 kPa 表示。
**估计** - 在地球上，几乎所有的人口都生活在相当狭窄的压力范围内。我们将假设目前的范围为 80 到 100 kPa（海平面到 2000 米海拔）。
**限制** - 地球上表面压力最低的地方据说是最高点珠穆朗玛峰，海拔 +8,850 米。最高压力据说是魁北克 LaRonde 金矿的底部，它位于海拔 300 米的表面的下方 3 公里处，净高度为 -2,700 米。因此，压力范围为 31.5 到 138 kPa。要突破这些限制，将需要人工结构，或水下环境的周围压力。在太空中，局部压力范围从完全真空到金星或气态巨行星的地球压力的许多倍不等。
**定义** - 在有重力的天体上，这是基础设计载荷，以 MPa 或地表以下位置的外部水压或岩石压力表示。在这两种情况下，这都相当于作用在位置结构上的边界压力。低范围将是水面结构或沼泽，高范围将是高层建筑或地表以下位置。
**估计** - 我们通过参考软粘土到硬岩的允许土壤承载压力，对温带范围进行粗略估计。剔除极端值，这些值给出 0.25 到 2.0 MPa 的范围。
**限制** - 对于低范围限制，我们可以假设一个浅层船体或筏式基础，深度为 1 米或更浅。这将产生 0.01 MPa 的载荷。对于高范围限制，假设每层楼的楼板+自重为 1000 kg/米2，则一座 100 层的高层建筑可能在基础底部施加 1 MPa 的承载压力。高层建筑的实际限制更多地取决于经济因素，而不是结构材料，因此可以建造更高的建筑。
由于海洋深处和地下深处可以达到非常高的压力和温度，因此我们将根据到达地球轨道所需的能量（31.3 MJ/kg）与必须移位的质量柱进行比较，设定一个实际限制。对于 1 公斤体积的海洋，其质量约为 1 公斤，将 800 米高的质量柱移位需要提升 8000 kg x 400 m 平均高度 x 9.8 m/s2 = 31.3 MJ。对于大陆地壳，其密度为 2.7 公斤/升，则 1 公斤体积为 7.2 x 7.2 厘米。然后，该区域上方每米岩石的质量为 13.925 公斤。然后，675 米深的质量柱的质量为 9400 公斤，提升其 337.5 米的平均高度也产生 31.3 MJ/kg。因此，我们将认为实际限制是海洋深度为 800 米，大陆深度为 675 米，之后我们将开始考虑太空位置。其他参数可能在深度之前将我们带入太空。相应的压力分别为 8 MPa 和 18 MPa。
**定义** - 来自自然来源的通量，以 W/米2 表示。在地球上，这主要来自太阳和风，在某些地方来自水流和地热。
估计 - 地球上，考虑夜晚、云层和太阳角度后，平均太阳辐射通量范围为 100 到 300 瓦/平方米。美国的风能范围从低于 100 到超过 1000 瓦/平方米。水力、潮汐和海流以及地热是局部性的，因此我们将在此首次估计中忽略它们。将风能和太阳能结合起来，我们得到一个粗略的估计，即温带范围为 150 到 900 瓦/平方米。在太空中，地球距离处的太阳辐射通量为 1366 瓦/平方米，乘以阳光照射的时间百分比。
限制 - 任何重要的水深或地面深度都将具有接近零的能量供应。地球峰值可能出现在高海拔地区，那里强风和阳光的结合将提供高功率水平。在太空中，峰值能量水平将随与太阳距离的变化而发生巨大变化。
定义 - 本地重力水平，单位为米/秒2。靠近大型天体的太空位置仍然存在重力水平，即使轨道可能创造出自由落体条件，系统元件之间的相对力很小。
估计 - 地球表面，几乎所有人居住的地方，完全位于 9.80665 米/秒2 标准值的 10% 范围内。
限制 - 超出温带范围 10% 以上的值需要极高的高层建筑（> 320 公里高）或轨道位置。因此，对于地球位置，该参数实际上是固定的。太阳系位置的范围可以从零到约 200 米/秒2，非常靠近太阳。
定义 - 人类在无保护状态下受到背景辐射的辐射照射，单位为毫西弗/年。需要注意的是，在许多地方，人类无法在无保护状态下生存，但为了保持一致性，以这种方式测量照射水平。除了背景辐射外，人类还会从医疗和其他人为来源获得大量的照射，但这与位置无关，因此不计入该位置参数。
估计 - 地球上的大多数人口生活在辐射环境相对较低的地区，但存在更高海拔或高天然放射性区域。根据联合国的一份报告得出的数据表明，典型范围为 1-13 毫西弗/年。
限制 - 由于地下铀和可移动衰变产物的浓度，伊朗北部的拉姆萨尔市背景水平高达 135 毫西弗/年。近地轨道位置的范围为 80-160 毫西弗/年，高于该位置的位置从俘获的粒子带和太阳粒子事件中获得的辐射水平可能会高得多。
定义 - 到最近 5% 人口所在地的最小往返通信延迟，单位为秒。根据位置的不同，这可能是通过有线或无线方式。
估计 - 从理论上讲，地球上的所有位置都在 0.13 秒的 Ping 时间内，但实际存在的通信系统会增加该值。我们假设通信至少具有语音/手机带宽。现在固定和移动电话连接的数量超过人口数量，因此从理论上讲，每个人都可以使用一个。从斯洛伐克到世界人口的 5%，距离约为 600 公里。理论上的 Ping 时间为 8 毫秒（ms）。从塔希提岛到主要人口中心的距离约为 6600 公里。因此，最佳情况下的 Ping 时间为 44 毫秒。考虑到实际路由和光纤速度，这很可能更接近 100 毫秒。
限制 - 地球上最糟糕的情况不比塔希提岛等需要海底电缆或通过铱星网络进行卫星中继的位置更糟糕。因此，地球的限制与温带范围相同。太空位置的范围可达 45000 秒，从地球到柯伊伯带。
定义 - 人类从最近 5% 人口所在地出发的最长单程正常旅行时间，单位为小时或天。
估计 - 在欧洲等人口稠密的地区，到达世界人口 5% 的最大直线距离约为 600 公里。考虑到实际的高速公路路线和行驶速度，我们可以估计到达该半径内的任何地点需要 8 个小时。根据**欧盟联合研究中心** 的可达性地图，世界上 90% 的陆地面积可以在 48 小时内到达。
限制 - 同一张可达性地图将青藏高原的部分地区置于到达任何规模城市的 20 天旅行时间。**尼莫点**，世界上距离陆地最远的地方，距离最近的机场约 4000 公里。因此，乘坐包机需要大约 10 天。目前，太空旅行时间以月或年计，主要是因为载人旅行很少。从发射地点到太空的实际运输时间为 2-3 天。
定义 - 平均每人在每个位置的停留时间，单位为年。如果人们定期在同一地点生活和睡觉，则被认为他们住在同一地点。
估计 - 在美国，2010-2011 年，3.9% 的人口迁往了不同的县。我们将把县视为一个“位置”。因此，平均停留时间为 25 年。我们假设世界上有相当一部分地区，普通人不会远离出生地，因此他们在同一个地方的平均停留时间为他们的预期寿命，大约 70 年。
限制 - 2011 年美国增长最快的县的增长率为 10%，因此如果将增长和正常流动都计算在内，平均停留时间为 7 年。目前太空中的停留时间远短于此，因为没有永久居民，而且时间受到失重和辐射照射的限制。我们反转太空的时间尺度，并将地球停留时间的 10%，即 0.7 年，设置为初始范围。在另一个极端，停留时间受预期寿命的限制，因此不会超过 70 年。
定义 - 从最近 5% 人口所在地到达某个位置的最大总能量，通过最有效的方法，单位为 MJ/kg。包括动能、势能和摩擦能量成本。
估计 - 对于地球来说，由于大部分表面都处于相同的势能附近，因此这主要是铁路或海上运输的摩擦损失。铁路运输消耗 330 BTU/吨英里，或 216 J/kg-公里。假设人口稠密地区的总运输距离为 1000 公里，包括从最近的铁路点开始的部分公路旅行，我们得到约 0.215 MJ/kg。船舶消耗 375 J/kg-公里。澳大利亚东部距离世界人口 5% 的最近地点约 6000 公里，得出 2.25 MJ/kg。
限制 - 假设一头骡子拉着一辆与它体重相同的马车，在 20 天内到达西藏的偏远地区，我们得到 1.8 MJ/kg 的运输能量。如果我们再增加 2000 公里的铁路运输以到达世界人口的 5%，这将再增加 0.43 MJ/kg，总计为 2.23 MJ/kg。假设从人口中心到塔希提岛的运输距离为 7000 公里，这将得出 2.6 MJ/kg，这是较高的值。近地轨道需要 31 MJ/kg，因此从地球到太空位置存在一个大的阶跃函数。
我们选择该参数的季节性每日高点和低点作为人们适应的“正常极端”，即使某些特定的日子可能超过此范围。我们从人们居住的最热和最冷的地方开始，一直统计到我们到达 5%。如果国家小且仅包含一个气候区域，则按国家进行统计，如果国家大，则按区域进行统计。如果人口集中在一个地区，我们将使用该地区的氣候数据。
最冷的有人居住的地区
以下寒冷地区的表格从两极和最高海拔开始，一直统计到我们达到 3.53 亿人口。
国家、地区 人口（百万） 平均冬季低温 C（K） 注释（小计） 俄罗斯，萨哈和楚科奇 1.0 -41 (232) 雅库茨克 加拿大，3 个北部地区 0.1 -37 (236) 努纳武特庞德因莱特 俄罗斯，图瓦 0.3 -35 (238) 克孜勒 俄罗斯，外贝加尔边疆区 1.1 -32 (241) 赤塔 俄罗斯，亚马洛-涅涅茨自治区 0.5 -30 (243) 萨列哈尔德 俄罗斯，布里亚特共和国 1.0 -28 (245) 乌兰乌德 俄罗斯，阿穆尔州 0.9 -27 (246) 布拉戈维申斯克（4.9m） 俄罗斯，哈巴罗夫斯克边疆区 1.4 -24 (249) 哈巴罗夫斯克市 俄罗斯，克麦罗沃州 2.9 -23 (250) 克麦罗沃市 俄罗斯，哈卡斯共和国 0.5 -23 (250) 在阿巴坎 俄罗斯，汉特-曼西自治区 1.4 -23 (250) 在苏尔古特 (620 万) 俄罗斯，伊尔库茨克州 2.5 -22 (251) 在伊尔库茨克市 俄罗斯，秋明州 3.4 -22 (251) 在秋明市 俄罗斯，科米共和国 1.0 -21 (252) 在锡克蒂夫卡尔 俄罗斯，鄂木斯克州 2.0 -21 (252) 在鄂木斯克市 俄罗斯，托木斯克州 1.0 -21 (252) 在托木斯克市 (990 万) 俄罗斯，阿尔泰边疆区 2.4 -20 (253) 在巴尔瑙尔 俄罗斯，新西伯利亚州 2.7 -20 (253) 在新西伯利亚市 俄罗斯，阿尔泰共和国 0.2 -19 (254) 在戈尔诺-阿尔泰斯克 (530 万) 俄罗斯，克拉斯诺亚尔斯克边疆区 2.8 -19 (254) 在克拉斯诺亚尔斯克市 俄罗斯，马加丹州 0.1 -19 (254) 在马加丹镇 格陵兰 0.1 -18 (255) 在西西缪特 俄罗斯，阿尔汉格尔斯克州 1.3 -16 (257) 在阿尔汉格尔斯克市 俄罗斯，彼尔姆边疆区 2.6 -16 (257) 在彼尔姆市 俄罗斯，斯维尔德洛夫斯克州 4.3 -16 (257) 在叶卡捷琳堡 (1120 万) 俄罗斯，基洛夫州 1.3 -15 (258) 在基洛夫市 俄罗斯，摩尔曼斯克州 0.9 -14 (259) 在摩尔曼斯克市 俄罗斯，沃洛格达州 1.2 -14 (259( 在沃洛格达市 俄罗斯，卡累利阿共和国 0.7 -13 (260) 在彼特罗扎沃茨克 (410 万) 俄罗斯，堪察加边疆区 0.3 -10 (263) 在彼得罗巴甫洛夫斯克-堪察茨基 俄罗斯，普斯科夫州 0.7 -9 (264) 在普斯科夫市 俄罗斯，列宁格勒州 1.7 -8 (265) 在圣彼得堡 俄罗斯，圣彼得堡 4.9 -8 (265) 城市是联邦区 俄罗斯，加里宁格勒州 0.9 -4 (269) 在加里宁格勒 阿根廷，火地岛省 0.1 -2 (271) 最南端的省份 智利，蓬塔阿雷纳斯 0.1 -1 (272) 世界上最南端的任何规模的城市 (870 万) 总计 50.3 -1 (272) 以上人口总和，以及冬季最低气温
最寒冷的地方
这些是人烟稀少或无人居住的地方，环境条件极端
国家、地区 人口（百万） 平均冬季低温 C（K） 注释 南极洲，麦克默多站 0.0 -32 (241) 大陆上人口最多的地点 南极洲，东方站 0.0 -72 (201) 地球上最寒冷的地方