指南针红色的一头指向什么方向

奔·火|指南针在火星上能用吗?

作者:韩娟娟

中国科学院国家空间科学中心

中国科学院月球与深空探测总体部

今天,天问一号成功开启环绕火星模式!

指南针红色的一头指向什么方向

地球磁极示意图(图片来源:维基百科)

当然,指南针也有可能会失灵。除了指南针坏掉的情况,还有一种假设,即把指南针放在火星等没有明显全球偶极磁场的其他行星上。

火星上有磁场吗?

想弄明白磁场问题,要先从发电机理论谈起。发电机理论是科学界解释天体磁场成因的假说之一。根据该理论,行星内核存在熔融态的液态金属物质,在循环流动时产生电流,进而形成磁场,并且电流越大,形成的磁场就越强。依照科学共识,发电机效应是成为行星产生磁场的关键。

但是,目前的科学发现,火星全球磁场已经消失。在火星磁场消失之谜的解释当中,最主流的观点认为,跟地球一样,40多亿年前,刚形成不久的火星曾经拥有保护自身大气层的磁场,而且强度还与地球磁场非常相似,也拥有类似地球温暖湿润的环境。然而,相较于地球,火星本身体积小,随着内部热量的快速散发,熔融态的内核逐渐凝固。通过对火星磁化陨石的定年,科学界认为火星发电机作用大约在39亿年前就已经停止,全球磁场自然就消失了。

失去全球磁场的保护,环绕太阳运转的火星持续遭受太阳风的撞击,火星大气变得愈加稀薄。作为太阳系的中心,太阳无时无刻不在创造光和热,在喷射出的能量当中,有一种被称作“太阳风”的带电粒子流,持续撞击着周围的行星,而火星就是“被撞者”之一。

火星完全持续暴露于太阳风的灼烧之中,大气层也遭受太阳风的剥离而逃逸到太空,从此大气层逐渐变得稀薄。在接下来的数亿年,火星从温暖湿润的环境变成了我们今天所知的寒冷、干燥而荒凉的世界。

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地球全球磁场保护地球大气层免受太阳风的侵袭(图片来源:维基百科)

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火星现在和数亿年前曾经有大气和海洋假想对比渲染图(图片来源:NASA)

虽然全球磁场已经消失,但是科学家发现火星具有独特的磁尾,在此基础上,能够绘制出火星周围电流分布全景图。电流在火星周围形成了一个嵌套的双环结构,与入射的太阳风相互作用,包裹在火星周围流动。电流在高层大气中流动,最强的电流层存在于火星表面上方120到200公里之间。

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对火星复杂磁场环境的构想示意图。太阳磁场线(黄色)与火星表面磁场(蓝色)相互作用,并导致磁重联(红色)。(图片来源:NASA)

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火星大气电流分布全景图(图片来源:NASA)

与地球磁场的形成机制不同,火星本身并不产生全球磁场,而是太阳风在火星电离层产生的电流导致磁场堆积、增强,进而形成所谓的“感应磁层”。

天方夜谭的大胆想法——给火星安上“人造磁场”

我们知道,没有了大气层,火星变得如此荒芜,那能否将大气层还给火星,然后恢复适宜的温度和温润的环境,制造孕育火星生命的条件呢?

从地球上生活的经验出发,地球大气层是由地磁场保护的,既然火星没有全球磁场,那就给它造一个!那么该怎么造呢?

在2017年,科学家就提出了一个大胆激进的想法——运用电生磁原理,在火星与太阳之间的L1点拉格朗日点上放置一个磁偶极子屏蔽层,形成“人造磁场”。这个磁场用作保护层屏蔽来自太阳的高能粒子,希望能使火星免受强烈太阳风的侵袭,帮助火星重建大气层。

人造磁场,还大气层给火星,听起来似乎是天方夜谭。科学家预测,磁场能够形成包围整个火星的磁层,抵御太阳风和辐射,在火星稀薄大气层保护下,表面温度逐渐上升,引起温室效应,从而进一步提升表面温度,导致两极的水冰和干冰融化,进而恢复部分消失已久的海洋。

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火星“人造磁场”概念示意图(图片来源:NASA)

最后,回到文中开头的问题,指南针在火星上能不能用呢?

鉴于目前火星磁场的独有特点,如果真是要带指南针上火星,恐怕磁针也爱莫能助。但是假如人类给火星安上“人造磁场”,或许又是另一番景象。

从古人只能借助望远镜远眺火星,到如今人类探测器作为先锋登陆火星,也不过几百年而已。天马行空的“激进”想法或许在经历几代人的努力后也会实现呢!

而现在,背负人类行星际探索使命的“天问一号”、“毅力号”和“希望号”正在奔向火星的太空征程中。

让我们一起见证人类航天史上的里程碑事件吧!

参考文献:

[1]《火星科学概论》(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).

来源:科学大院

来源: 国家空间科学中心

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