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！
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我们都在关注着天问一号的探火之旅 ， 也会幻想一个情景：如果真的有一天 ， 人类移民火星了 ， 还能用指南针找到回家的路吗？
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（指南针 （图片来源：维基百科）
在地球上 ， 指南针为什么能指明方向？
指南针 ， 我国古代四大发明之一 ， 利用装在轴上的磁针辨别方向 。 它小巧简单 ， 却能发挥大作用 ， 是古代航海出行和沙漠行走的必备用品 。
在地球上 ， 指南针之所以能够指向特定方向 ， 是因为地球存在一个地磁场 ， 普遍认为这个磁场由地球内部液态铁的流动引起 。 地磁场是一个与地球自转轴呈11°夹角的磁偶极子 ， 它有两个磁极 ， 磁南极大致指向地理北极附近 ， 磁北极大致指向地理南极附近 。
而指南针的磁针则是一根小磁体 ， 两端分别有两个极 ， 南极和北极 。 根据磁极间同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的规律 ， 指南针一端总是指向南 ， 而另一端则指向北 。 所以在地球上使用指南针 ， 它的磁针总是指明南北方向 。
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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 。
【地球|奔·火 | 指南针在火星上能用吗？】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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太阳风暴侵袭火星大气层渲染图（图片来源：NASA）
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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 theMartian induced magnetosphere, Nature Astronomy (2020).
[4]J.L.Green et al., A future Mars environment for Science andExploration, Planetary Science Vision 2050 Workshop(2017).
来源：科学大院
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