奔“火”題外話：指南針在火星上能用嗎？

2月10日，天問一號成功開啟環繞火星模式！

我們都在關注著天問一號的探火之旅，也會幻想一個情景：如果真的有一天，人類移民火星了，還能用指南針找到回家的路嗎？

指南針。圖源：維基百科

在地球上，指南針為什麼能指明方向？

指南針，我國古代四大發明之一，利用裝在軸上的磁針辨別方向。它小巧簡單，卻能發揮大作用，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，是因為地球存在一個地磁場，普遍認為這個磁場由地球內部液態鐵的流動引起。地磁場是一個與地球自轉軸呈11°夾角的磁偶極子，它有兩個磁極，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，兩端分別有兩個極，南極和北極。根據磁極間同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的規律，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。圖源：維基百科

當然，指南針也有可能會失靈。除了指南針壞掉的情況，還有一種假設，即把指南針放在火星等沒有明顯全球偶極磁場的其他行星上。

火星上有磁場嗎？

想弄明白磁場問題，要先從發電機理論談起。發電機理論是科學界解釋天體磁場成因的假說之一。根據該理論，行星核心存在熔融態的液態金屬物質，在迴圈流動時產生電流，進而形成磁場，並且電流越大，形成的磁場就越強。依照科學共識，發電機效應是成為行星產生磁場的關鍵。

但是，目前的科學發現，火星全球磁場已經消失。在火星磁場消失之謎的解釋當中，最主流的觀點認為，跟地球一樣，40多億年前，剛形成不久的火星曾經擁有保護自身大氣層的磁場，而且強度還與地球磁場非常相似，也擁有類似地球溫暖溼潤的環境。然而，相較於地球，火星本身體積小，隨著內部熱量的快速散發，熔融態的核心逐漸凝固。透過對火星磁化隕石的定年，科學界認為火星發電機作用大約在39億年前就已經停止，全球磁場自然就消失了。

失去全球磁場的保護，環繞太陽運轉的火星持續遭受太陽風的撞擊，火星大氣變得愈加稀薄。作為太陽系的中心，太陽無時無刻不在創造光和熱，在噴射出的能量當中，有一種被稱作“太陽風”的帶電粒子流，持續撞擊著周圍的行星，而火星就是“被撞者”之一。

火星完全持續暴露於太陽風的灼燒之中，大氣層也遭受太陽風的剝離而逃逸到太空，從此大氣層逐漸變得稀薄。在接下來的數億年，火星從溫暖溼潤的環境變成了我們今天所知的寒冷、乾燥而荒涼的世界。

太陽風暴侵襲火星大氣層渲染圖。圖源：NASA

火星現在和數億年前曾經有大氣和海洋假想對比渲染圖。圖源：NASA

雖然全球磁場已經消失，但是科學家發現火星具有獨特的磁尾，在此基礎上，能夠繪製出火星周圍電流分佈全景圖。電流在火星周圍形成了一個巢狀的雙環結構，與入射的太陽風相互作用，包裹在火星周圍流動。電流在高層大氣中流動，最強的電流層存在於火星表面上方120到200公里之間。

對火星複雜磁場環境的構想示意圖。太陽磁場線（黃色）與火星表面磁場（藍色）相互作用，並導致磁重聯（紅色）。圖源：NASA

火星大氣電流分佈全景圖。圖源：NASA

與地球磁場的形成機制不同，火星本身並不產生全球磁場，而是太陽風在火星電離層產生的電流導致磁場堆積、增強，進而形成所謂的“感應磁層”。

天方夜譚的大膽想法——給火星安上“人造磁場”

我們知道，沒有了大氣層，火星變得如此荒蕪，那能否將大氣層還給火星，然後恢復適宜的溫度和溫潤的環境，製造孕育火星生命的條件呢？

從地球上生活的經驗出發，地球大氣層是由地磁場保護的，既然火星沒有全球磁場，那就給它造一個！那麼該怎麼造呢？

在2017年，科學家就提出了一個大膽激進的想法——運用電生磁原理，在火星與太陽之間的L1點拉格朗日點上放置一個磁偶極子遮蔽層，形成“人造磁場”。這個磁場用作保護層遮蔽來自太陽的高能粒子，希望能使火星免受強烈太陽風的侵襲，幫助火星重建大氣層。

人造磁場，還大氣層給火星，聽起來似乎是天方夜譚。科學家預測，磁場能夠形成包圍整個火星的磁層，抵禦太陽風和輻射，在火星稀薄大氣層保護下，表面溫度逐漸上升，引起溫室效應，從而進一步提升表面溫度，導致兩極的水冰和乾冰融化，進而恢復部分消失已久的海洋。

火星“人造磁場”概念示意圖。圖源：NASA

最後，回到文中開頭的問題，指南針在火星上能不能用呢？

鑑於目前火星磁場的獨有特點，如果真是要帶指南針上火星，恐怕磁針也愛莫能助。但是假如人類給火星安上“人造磁場”，或許又是另一番景象。

從古人只能藉助望遠鏡遠眺火星，到如今人類探測器作為先鋒登陸火星，也不過幾百年而已。天馬行空的“激進”想法或許在經歷幾代人的努力後也會實現呢！

而現在，揹負人類行星際探索使命的“天問一號”、“毅力號”和“希望號”正在奔向火星的太空征程中。

讓我們一起見證人類航天史上的里程碑事件吧！

審讀：孫世建