韓娟娟

指南針在地球上為何能指明方向

指南針，我國古代四大發(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，普遍認(rèn)為這個(gè)磁場由地球內(nèi)部液態(tài)鐵的流動(dòng)引起。地磁場是一個(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。

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。

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(fā)電機(jī)理論談起。發(fā)電機(jī)理論是科學(xué)界解釋天體磁場成因的假說之一。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，并且電流越大，形成的磁場就越強(qiáng)。發(fā)電機(jī)效應(yīng)是成為行星產(chǎn)生磁場的關(guān)鍵。

但是，目前的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，火星全球磁場已經(jīng)消失。在火星磁場消失之謎的解釋當(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，而且強(qiáng)度還與地球磁場非常相似，也擁有類似地球溫暖濕潤的環(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。通過對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，全球磁場自然就消失了。

失去全球磁場的保護(hù)，環(huán)繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的火星持續(xù)遭受太陽風(fēng)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(shí)無刻不在創(chuàng)造光和熱，在噴射出的能量當(dāng)中，有一種被稱作“太陽風(fēng)”的帶電粒子流，持續(xù)撞擊著周圍的行星，而火星就是“被撞者”之一。

火星完全持續(xù)暴露于太陽風(fēng)的灼燒之中，大氣層也遭受太陽風(fēng)的剝離而逃逸到太空，從此大氣層逐漸變得稀薄。在接下來的數(shù)億年，火星從一顆溫暖濕潤的星球變成了我們今天所知的寒冷、干燥而荒涼的世界。

雖然全球磁場已經(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，能夠繪制出火星周圍電流分布全景圖。電流在火星周圍形成了一個(gè)嵌套的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，與入射的太陽風(fēng)相互作用，包裹在火星周圍流動(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。

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

能否給火星安上“人造磁場”

我們知道，沒有了大氣層，火星才變得如此荒蕪，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保護(hù)的，既然火星沒有全球磁場，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”。這個(gè)磁場用作保護(hù)層屏蔽來自太陽的高能粒子，希望能使火星免受強(qiáng)烈太陽風(fēng)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?？茖W(xué)家預(yù)測，磁場能夠形成包圍整個(gè)火星的磁層，抵御太陽風(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。

指南針在火星上能不能用

鑒于目前火星磁場的獨(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。

從古人只能借助望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)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(jìn)”想法或許在經(jīng)歷幾代人的努力后也會(huì)實(shí)現(xiàn)。

而現(xiàn)在，背負(fù)人類行星際探索使命的“天問一號(hào)”“毅力號(hào)”和“希望號(hào)”正在奔向火星的太空征程中。