第 5.2 節：環境範圍
這項研究截至 2012 年 11 月仍處於初步階段
這項設計研究是人類擴張 (HE) 計劃概念設計的一部分。HE 計劃的目標之一是將文明擴充套件到更困難的區域，同時提升技術水平和生活質量。本研究的目標是確定人們現在居住區域的引數範圍，然後根據這些引數推匯出未來區域的困難和極端範圍。我們將人們現在居住的中間 90% 作為每個引數的現有範圍，兩端各佔 5%。中間 90% 被描述為 **溫帶**，而超過溫帶範圍 10% 和 20% 的水平分別被稱為 **困難** 和 **極端**。
研究將分兩個部分進行。第一部分將進行初步估計，以便 HE 計劃設計的其他部分可以開始使用這些資訊。第二部分將更詳細地調查人們的居住地，並生成更精確的值。整個 HE 計劃將以 2013 年初作為基準進行參考。**美國人口普查局**預計 2013 年初人口將達到 70.62 億，因此 5% 為 3.53 億。更詳細的人口分析將從世界統計資料中提取。
在 HE 需求分析中選擇了七個環境引數和四個時間和距離引數，以確定是什麼構成了一個困難或極端的區域。在以下引數列表中，我們將首先定義引數是什麼，然後討論我們如何估計 90% 的溫帶範圍。我們還將討論地球上極端範圍的實際限制。一旦達到地球上的實際限制，或者超過了太空中發現的範圍，我們將使用太空中更困難的區域。
**定義** - 在地球上，這是冬季每日氣溫低點，以及夏季每日高溫，以開爾文和攝氏度表示。對於太空位置，這是 50% 灰色物體的一側朝向太陽，另一側朝向背面的平衡溫度。
**估計** - 透過檢查世界地圖，居住在遙遠北部的人口明顯多於遙遠南部的人口。北歐、俄羅斯、部分西藏、中國北部和加拿大可能擁有 3.5 億寒冷氣候居民。許多人生活在赤道/炎熱氣候中，但極端情況出現在乾旱氣候中，在那裡水蒸氣不會調節每日溫度範圍。我們粗略估計 260 K (-13 C) 作為 1 月份的平均每日低點，310 K (37 C) 作為 7 月份的平均每日高溫，作為溫帶範圍的界限。
**限制** - 超過溫帶範圍 10%，即 25-30K，對於人類氣候來說是一個相當大的範圍，因此地球位置可能只有一個或兩個非常寒冷的地表氣候，而沒有炎熱的地表氣候。某些位置的地下深處可能達到極高的溫度。
**定義** - 這是來自降雨和降雪、河流和冰川徑流以及空氣溼度的新鮮水供應，以米/區域/年表示。由於淡水的密度為 1 噸/米3，因此這等效於噸/米2。海水不計入淡水供應，但蒸發量除外。地下含水層代表降雨或水運輸的徑流，但不包括僅從儲存中抽取的水量，因為這不可持續。許多人生活在河流附近，河流提供充足的淡水流量。我們將可用河流流量分配到當地土地區域，因此可能難以找到高於該流量的高範圍區域。乾旱地區的水流量較低，這種情況很常見。
**估計** - 我們使用地球上 0.25 和 2.5 米的值作為溫帶範圍，這是基於沙漠和溼潤氣候的降雨定義。這需要更多來自氣候資料的支援。
**限制** - 地球上降雨量最少的地區是阿塔卡馬沙漠，平均每年降雨量為 0.001 米。我們可以透過假設亞馬遜河的流量為 200,000 立方米/秒，並分配給主河及其支流最近的 10% 的流域，得到一個上限估計。考慮到總面積為 700 萬平方公里，這將產生 9 米/年的水供應量。降雨量最高的地區大約為 11 米/年。因此，我們將採用 10 米/年作為極端上限值。太空位置的範圍從內太陽系的幾乎為零，到當大量冰體或含水體在可達範圍內透過時適度，到覆蓋著冰體的衛星或天體的非常高不等。
**定義** - 平均位置氣壓，以 kPa 表示。
**估計** - 在地球上，幾乎所有的人口都生活在相當狹窄的壓力範圍內。我們將假設目前的範圍為 80 到 100 kPa（海平面到 2000 米海拔）。
**限制** - 地球上表面壓力最低的地方據說是最高點珠穆朗瑪峰，海拔 +8,850 米。最高壓力據說是魁北克 LaRonde 金礦的底部，它位於海拔 300 米的表面的下方 3 公里處，淨高度為 -2,700 米。因此，壓力範圍為 31.5 到 138 kPa。要突破這些限制，將需要人工結構，或水下環境的周圍壓力。在太空中，區域性壓力範圍從完全真空到金星或氣態巨行星的地球壓力的許多倍不等。
**定義** - 在有重力的天體上，這是基礎設計載荷，以 MPa 或地表以下位置的外部水壓或岩石壓力錶示。在這兩種情況下，這都相當於作用在位置結構上的邊界壓力。低範圍將是水面結構或沼澤，高範圍將是高層建築或地表以下位置。
**估計** - 我們透過參考軟粘土到硬巖的允許土壤承載壓力，對溫帶範圍進行粗略估計。剔除極端值，這些值給出 0.25 到 2.0 MPa 的範圍。
**限制** - 對於低範圍限制，我們可以假設一個淺層船體或筏式基礎，深度為 1 米或更淺。這將產生 0.01 MPa 的載荷。對於高範圍限制，假設每層樓的樓板+自重為 1000 kg/米2，則一座 100 層的高層建築可能在基礎底部施加 1 MPa 的承載壓力。高層建築的實際限制更多地取決於經濟因素，而不是結構材料，因此可以建造更高的建築。
由於海洋深處和地下深處可以達到非常高的壓力和溫度，因此我們將根據到達地球軌道所需的能量（31.3 MJ/kg）與必須移位的質量柱進行比較，設定一個實際限制。對於 1 公斤體積的海洋，其質量約為 1 公斤，將 800 米高的質量柱移位需要提升 8000 kg x 400 m 平均高度 x 9.8 m/s2 = 31.3 MJ。對於大陸地殼，其密度為 2.7 公斤/升，則 1 公斤體積為 7.2 x 7.2 釐米。然後，該區域上方每米岩石的質量為 13.925 公斤。然後，675 米深的質量柱的質量為 9400 公斤，提升其 337.5 米的平均高度也產生 31.3 MJ/kg。因此，我們將認為實際限制是海洋深度為 800 米，大陸深度為 675 米，之後我們將開始考慮太空位置。其他引數可能在深度之前將我們帶入太空。相應的壓力分別為 8 MPa 和 18 MPa。
**定義** - 來自自然來源的通量，以 W/米2 表示。在地球上，這主要來自太陽和風，在某些地方來自水流和地熱。
估計 - 地球上，考慮夜晚、雲層和太陽角度後，平均太陽輻射通量範圍為 100 到 300 瓦/平方米。美國的風能範圍從低於 100 到超過 1000 瓦/平方米。水力、潮汐和海流以及地熱是區域性性的，因此我們將在此首次估計中忽略它們。將風能和太陽能結合起來，我們得到一個粗略的估計，即溫帶範圍為 150 到 900 瓦/平方米。在太空中，地球距離處的太陽輻射通量為 1366 瓦/平方米，乘以陽光照射的時間百分比。
限制 - 任何重要的水深或地面深度都將具有接近零的能量供應。地球峰值可能出現在高海拔地區，那裡強風和陽光的結合將提供高功率水平。在太空中，峰值能量水平將隨與太陽距離的變化而發生巨大變化。
定義 - 本地重力水平，單位為米/秒2。靠近大型天體的太空位置仍然存在重力水平，即使軌道可能創造出自由落體條件，系統元件之間的相對力很小。
估計 - 地球表面，幾乎所有人居住的地方，完全位於 9.80665 米/秒2 標準值的 10% 範圍內。
限制 - 超出溫帶範圍 10% 以上的值需要極高的高層建築（> 320 公里高）或軌道位置。因此，對於地球位置，該引數實際上是固定的。太陽系位置的範圍可以從零到約 200 米/秒2，非常靠近太陽。
定義 - 人類在無保護狀態下受到背景輻射的輻射照射，單位為毫西弗/年。需要注意的是，在許多地方，人類無法在無保護狀態下生存，但為了保持一致性，以這種方式測量照射水平。除了背景輻射外，人類還會從醫療和其他人為來源獲得大量的照射，但這與位置無關，因此不計入該位置引數。
估計 - 地球上的大多數人口生活在輻射環境相對較低的地區，但存在更高海拔或高天然放射性區域。根據聯合國的一份報告得出的資料表明，典型範圍為 1-13 毫西弗/年。
限制 - 由於地下鈾和可移動衰變產物的濃度，伊朗北部的拉姆薩爾市背景水平高達 135 毫西弗/年。近地軌道位置的範圍為 80-160 毫西弗/年，高於該位置的位置從俘獲的粒子帶和太陽粒子事件中獲得的輻射水平可能會高得多。
定義 - 到最近 5% 人口所在地的最小往返通訊延遲，單位為秒。根據位置的不同，這可能是透過有線或無線方式。
估計 - 從理論上講，地球上的所有位置都在 0.13 秒的 Ping 時間內，但實際存在的通訊系統會增加該值。我們假設通訊至少具有語音/手機頻寬。現在固定和行動電話連線的數量超過人口數量，因此從理論上講，每個人都可以使用一個。從斯洛伐克到世界人口的 5%，距離約為 600 公里。理論上的 Ping 時間為 8 毫秒（ms）。從塔希提島到主要人口中心的距離約為 6600 公里。因此，最佳情況下的 Ping 時間為 44 毫秒。考慮到實際路由和光纖速度，這很可能更接近 100 毫秒。
限制 - 地球上最糟糕的情況不比塔希提島等需要海底電纜或透過銥星網路進行衛星中繼的位置更糟糕。因此，地球的限制與溫帶範圍相同。太空位置的範圍可達 45000 秒，從地球到柯伊伯帶。
定義 - 人類從最近 5% 人口所在地出發的最長單程正常旅行時間，單位為小時或天。
估計 - 在歐洲等人口稠密的地區，到達世界人口 5% 的最大直線距離約為 600 公里。考慮到實際的高速公路路線和行駛速度，我們可以估計到達該半徑內的任何地點需要 8 個小時。根據**歐盟聯合研究中心** 的可達性地圖，世界上 90% 的陸地面積可以在 48 小時內到達。
限制 - 同一張可達性地圖將青藏高原的部分地區置於到達任何規模城市的 20 天旅行時間。**尼莫點**，世界上距離陸地最遠的地方，距離最近的機場約 4000 公里。因此，乘坐包機需要大約 10 天。目前，太空旅行時間以月或年計，主要是因為載人旅行很少。從發射地點到太空的實際運輸時間為 2-3 天。
定義 - 平均每人在每個位置的停留時間，單位為年。如果人們定期在同一地點生活和睡覺，則被認為他們住在同一地點。
估計 - 在美國，2010-2011 年，3.9% 的人口遷往了不同的縣。我們將把縣視為一個“位置”。因此，平均停留時間為 25 年。我們假設世界上有相當一部分地區，普通人不會遠離出生地，因此他們在同一個地方的平均停留時間為他們的預期壽命，大約 70 年。
限制 - 2011 年美國增長最快的縣的增長率為 10%，因此如果將增長和正常流動都計算在內，平均停留時間為 7 年。目前太空中的停留時間遠短於此，因為沒有永久居民，而且時間受到失重和輻射照射的限制。我們反轉太空的時間尺度，並將地球停留時間的 10%，即 0.7 年，設定為初始範圍。在另一個極端，停留時間受預期壽命的限制，因此不會超過 70 年。
定義 - 從最近 5% 人口所在地到達某個位置的最大總能量，透過最有效的方法，單位為 MJ/kg。包括動能、勢能和摩擦能量成本。
估計 - 對於地球來說，由於大部分表面都處於相同的勢能附近，因此這主要是鐵路或海上運輸的摩擦損失。鐵路運輸消耗 330 BTU/噸英里，或 216 J/kg-公里。假設人口稠密地區的總運輸距離為 1000 公里，包括從最近的鐵路點開始的部分公路旅行，我們得到約 0.215 MJ/kg。船舶消耗 375 J/kg-公里。澳大利亞東部距離世界人口 5% 的最近地點約 6000 公里，得出 2.25 MJ/kg。
限制 - 假設一頭騾子拉著一輛與它體重相同的馬車，在 20 天內到達西藏的偏遠地區，我們得到 1.8 MJ/kg 的運輸能量。如果我們再增加 2000 公里的鐵路運輸以到達世界人口的 5%，這將再增加 0.43 MJ/kg，總計為 2.23 MJ/kg。假設從人口中心到塔希提島的運輸距離為 7000 公里，這將得出 2.6 MJ/kg，這是較高的值。近地軌道需要 31 MJ/kg，因此從地球到太空位置存在一個大的階躍函式。
我們選擇該引數的季節性每日高點和低點作為人們適應的“正常極端”，即使某些特定的日子可能超過此範圍。我們從人們居住的最熱和最冷的地方開始，一直統計到我們到達 5%。如果國家小且僅包含一個氣候區域，則按國家進行統計，如果國家大，則按區域進行統計。如果人口集中在一個地區，我們將使用該地區的氣候資料。
最冷的有人居住的地區
以下寒冷地區的表格從兩極和最高海拔開始，一直統計到我們達到 3.53 億人口。
國家、地區 人口（百萬） 平均冬季低溫 C（K） 註釋（小計） 俄羅斯，薩哈和楚科奇 1.0 -41 (232) 雅庫茨克 加拿大，3 個北部地區 0.1 -37 (236) 努納武特龐德因萊特 俄羅斯，圖瓦 0.3 -35 (238) 克孜勒 俄羅斯，外貝加爾邊疆區 1.1 -32 (241) 赤塔 俄羅斯，亞馬洛-涅涅茨自治區 0.5 -30 (243) 薩列哈爾德 俄羅斯，布里亞特共和國 1.0 -28 (245) 烏蘭烏德 俄羅斯，阿穆爾州 0.9 -27 (246) 布拉戈維申斯克（4.9m） 俄羅斯，哈巴羅夫斯克邊疆區 1.4 -24 (249) 哈巴羅夫斯克市 俄羅斯，克麥羅沃州 2.9 -23 (250) 克麥羅沃市 俄羅斯，哈卡斯共和國 0.5 -23 (250) 在阿巴坎 俄羅斯，漢特-曼西自治區 1.4 -23 (250) 在蘇爾古特 (620 萬) 俄羅斯，伊爾庫茨克州 2.5 -22 (251) 在伊爾庫茨克市 俄羅斯，秋明州 3.4 -22 (251) 在秋明市 俄羅斯，科米共和國 1.0 -21 (252) 在錫克蒂夫卡爾 俄羅斯，鄂木斯克州 2.0 -21 (252) 在鄂木斯克市 俄羅斯，託木斯克州 1.0 -21 (252) 在託木斯克市 (990 萬) 俄羅斯，阿爾泰邊疆區 2.4 -20 (253) 在巴爾瑙爾 俄羅斯，新西伯利亞州 2.7 -20 (253) 在新西伯利亞市 俄羅斯，阿爾泰共和國 0.2 -19 (254) 在戈爾諾-阿爾泰斯克 (530 萬) 俄羅斯，克拉斯諾亞爾斯克邊疆區 2.8 -19 (254) 在克拉斯諾亞爾斯克市 俄羅斯，馬加丹州 0.1 -19 (254) 在馬加丹鎮 格陵蘭 0.1 -18 (255) 在西西繆特 俄羅斯，阿爾漢格爾斯克州 1.3 -16 (257) 在阿爾漢格爾斯克市 俄羅斯，彼爾姆邊疆區 2.6 -16 (257) 在彼爾姆市 俄羅斯，斯維爾德洛夫斯克州 4.3 -16 (257) 在葉卡捷琳堡 (1120 萬) 俄羅斯，基洛夫州 1.3 -15 (258) 在基洛夫市 俄羅斯，摩爾曼斯克州 0.9 -14 (259) 在摩爾曼斯克市 俄羅斯，沃洛格達州 1.2 -14 (259( 在沃洛格達市 俄羅斯，卡累利阿共和國 0.7 -13 (260) 在彼特羅扎沃茨克 (410 萬) 俄羅斯，堪察加邊疆區 0.3 -10 (263) 在彼得羅巴甫洛夫斯克-堪察茨基 俄羅斯，普斯科夫州 0.7 -9 (264) 在普斯科夫市 俄羅斯，列寧格勒州 1.7 -8 (265) 在聖彼得堡 俄羅斯，聖彼得堡 4.9 -8 (265) 城市是聯邦區 俄羅斯，加里寧格勒州 0.9 -4 (269) 在加里寧格勒 阿根廷，火地島省 0.1 -2 (271) 最南端的省份 智利，蓬塔阿雷納斯 0.1 -1 (272) 世界上最南端的任何規模的城市 (870 萬) 總計 50.3 -1 (272) 以上人口總和，以及冬季最低氣溫
最寒冷的地方
這些是人煙稀少或無人居住的地方，環境條件極端
國家、地區 人口（百萬） 平均冬季低溫 C（K） 註釋 南極洲，麥克默多站 0.0 -32 (241) 大陸上人口最多的地點 南極洲，東方站 0.0 -72 (201) 地球上最寒冷的地方