指南針在火星上能用嗎？ | 奔·火

作者：韓娟娟（中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)總體部 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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我們都在關(guān)注著天問(wèn)一號(hào)的探火之旅，也會(huì)幻想一個(gè)情景：如果真的有一天，人類(lèi)移民火星了，還能用指南針找到回家的路嗎？

（指南針 （圖片來(lái)源：維基百科）

在地球上，指南針為什么能指明方向？

指南針，我國(guó)古代四大發(fā)明之一，利用裝在軸上的磁針辨別方向。它小巧簡(jiǎn)單，卻能發(fā)揮大作用，是古代航海出行和沙漠行走的必備用品。

在地球上，指南針之所以能夠指向特定方向，是因?yàn)榈厍虼嬖谝粋€(gè)地磁場(chǎng)，普遍認(rèn)為這個(gè)磁場(chǎng)由地球內(nèi)部液態(tài)鐵的流動(dòng)引起。地磁場(chǎng)是一個(gè)與地球自轉(zhuǎn)軸呈11°夾角的磁偶極子，它有兩個(gè)磁極，磁南極大致指向地理北極附近，磁北極大致指向地理南極附近。

而指南針的磁針則是一根小磁體，兩端分別有兩個(gè)極，南極和北極。根據(jù)磁極間同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的規(guī)律，指南針一端總是指向南，而另一端則指向北。所以在地球上使用指南針，它的磁針總是指明南北方向。

地球磁極示意圖（圖片來(lái)源：維基百科）

當(dāng)然，指南針也有可能會(huì)失靈。除了指南針壞掉的情況，還有一種假設(shè)，即把指南針?lè)旁诨鹦堑葲](méi)有明顯全球偶極磁場(chǎng)的其他行星上。

火星上有磁場(chǎng)嗎？

想弄明白磁場(chǎng)問(wèn)題，要先從發(fā)電機(jī)理論談起。發(fā)電機(jī)理論是科學(xué)界解釋天體磁場(chǎng)成因的假說(shuō)之一。根據(jù)該理論，行星內(nèi)核存在熔融態(tài)的液態(tài)金屬物質(zhì)，在循環(huán)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電流，進(jìn)而形成磁場(chǎng)，并且電流越大，形成的磁場(chǎng)就越強(qiáng)。依照科學(xué)共識(shí)，發(fā)電機(jī)效應(yīng)是成為行星產(chǎn)生磁場(chǎng)的關(guān)鍵。

但是，目前的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，火星全球磁場(chǎng)已經(jīng)消失。在火星磁場(chǎng)消失之謎的解釋當(dāng)中，最主流的觀點(diǎn)認(rèn)為，跟地球一樣，40多億年前，剛形成不久的火星曾經(jīng)擁有保護(hù)自身大氣層的磁場(chǎng)，而且強(qiáng)度還與地球磁場(chǎng)非常相似，也擁有類(lèi)似地球溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境。然而，相較于地球，火星本身體積小，隨著內(nèi)部熱量的快速散發(fā)，熔融態(tài)的內(nèi)核逐漸凝固。通過(guò)對(duì)火星磁化隕石的定年，科學(xué)界認(rèn)為火星發(fā)電機(jī)作用大約在39億年前就已經(jīng)停止，全球磁場(chǎng)自然就消失了。

失去全球磁場(chǎng)的保護(hù)，環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的火星持續(xù)遭受太陽(yáng)風(fēng)的撞擊，火星大氣變得愈加稀薄。作為太陽(yáng)系的中心，太陽(yáng)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在創(chuàng)造光和熱，在噴射出的能量當(dāng)中，有一種被稱(chēng)作“太陽(yáng)風(fēng)”的帶電粒子流，持續(xù)撞擊著周?chē)男行牵鹦蔷褪恰氨蛔舱摺敝弧?/p>

火星完全持續(xù)暴露于太陽(yáng)風(fēng)的灼燒之中，大氣層也遭受太陽(yáng)風(fēng)的剝離而逃逸到太空，從此大氣層逐漸變得稀薄。在接下來(lái)的數(shù)億年，火星從溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境變成了我們今天所知的寒冷、干燥而荒涼的世界。

太陽(yáng)風(fēng)暴侵襲火星大氣層渲染圖（圖片來(lái)源：NASA）

地球全球磁場(chǎng)保護(hù)地球大氣層免受太陽(yáng)風(fēng)的侵襲（圖片來(lái)源：維基百科）

火星現(xiàn)在和數(shù)億年前曾經(jīng)有大氣和海洋假想對(duì)比渲染圖（圖片來(lái)源：NASA）

雖然全球磁場(chǎng)已經(jīng)消失，但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火星具有獨(dú)特的磁尾，在此基礎(chǔ)上，能夠繪制出火星周?chē)娏鞣植既皥D。電流在火星周?chē)纬闪艘粋€(gè)嵌套的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，與入射的太陽(yáng)風(fēng)相互作用，包裹在火星周?chē)鲃?dòng)。電流在高層大氣中流動(dòng)，最強(qiáng)的電流層存在于火星表面上方120到200公里之間。

對(duì)火星復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境的構(gòu)想示意圖。太陽(yáng)磁場(chǎng)線(xiàn)（黃色）與火星表面磁場(chǎng)（藍(lán)色）相互作用，并導(dǎo)致磁重聯(lián)（紅色）。（圖片來(lái)源：NASA）

火星大氣電流分布全景圖（圖片來(lái)源：NASA）

與地球磁場(chǎng)的形成機(jī)制不同，火星本身并不產(chǎn)生全球磁場(chǎng)，而是太陽(yáng)風(fēng)在火星電離層產(chǎn)生的電流導(dǎo)致磁場(chǎng)堆積、增強(qiáng)，進(jìn)而形成所謂的“感應(yīng)磁層”。

天方夜譚的大膽想法——給火星安上“人造磁場(chǎng)”

我們知道，沒(méi)有了大氣層，火星變得如此荒蕪，那能否將大氣層還給火星，然后恢復(fù)適宜的溫度和溫潤(rùn)的環(huán)境，制造孕育火星生命的條件呢？

從地球上生活的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，地球大氣層是由地磁場(chǎng)保護(hù)的，既然火星沒(méi)有全球磁場(chǎng)，那就給它造一個(gè)！那么該怎么造呢？

在2017年，科學(xué)家就提出了一個(gè)大膽激進(jìn)的想法——運(yùn)用電生磁原理，在火星與太陽(yáng)之間的L1點(diǎn)拉格朗日點(diǎn)上放置一個(gè)磁偶極子屏蔽層，形成“人造磁場(chǎng)”。這個(gè)磁場(chǎng)用作保護(hù)層屏蔽來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子，希望能使火星免受強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)的侵襲，幫助火星重建大氣層。

人造磁場(chǎng)，還大氣層給火星，聽(tīng)起來(lái)似乎是天方夜譚?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，磁場(chǎng)能夠形成包圍整個(gè)火星的磁層，抵御太陽(yáng)風(fēng)和輻射，在火星稀薄大氣層保護(hù)下，表面溫度逐漸上升，引起溫室效應(yīng)，從而進(jìn)一步提升表面溫度，導(dǎo)致兩極的水冰和干冰融化，進(jìn)而恢復(fù)部分消失已久的海洋。

火星“人造磁場(chǎng)”概念示意圖（圖片來(lái)源：NASA）

最后，回到文中開(kāi)頭的問(wèn)題，指南針在火星上能不能用呢？

鑒于目前火星磁場(chǎng)的獨(dú)有特點(diǎn)，如果真是要帶指南針上火星，恐怕磁針也愛(ài)莫能助。但是假如人類(lèi)給火星安上“人造磁場(chǎng)”，或許又是另一番景象。

從古人只能借助望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)眺火星，到如今人類(lèi)探測(cè)器作為先鋒登陸火星，也不過(guò)幾百年而已。天馬行空的“激進(jìn)”想法或許在經(jīng)歷幾代人的努力后也會(huì)實(shí)現(xiàn)呢！

參考文獻(xiàn)：

[1]《火星科學(xué)概論》（2015）

[2] MAVEN mission finds Mars has a twisted tail (NASA news, Oct.20, 2017).

[3]Robin Ramstad et al., The global current systems of the Martian induced magnetosphere, Nature Astronomy (2020).

[4]J.L.Green et al., A future Mars environment for Science and Exploration, Planetary Science Vision 2050 Workshop(2017).