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指南针在火星上能用吗
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2021 年 02 月 25 日 星期 放大 缩小 默认  

指南针在火星上能用吗

韩娟娟

  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?

  指南针在地球上

  为何能指明方向

  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。

  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。

  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。

  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”。

  能否给火星安上“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。

  指南针在火星上能不能用

  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。

  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。

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