如何在火星上裝上一圈大氣層？_風聞

原創：中科院物理所

作者：Marc Kaufman

翻譯：Kun

審校：Nuor

人造火星磁氣圈（磁層）的想法聽起來很異想天開。但在最新研究中，研究人員表示微型的磁層就可以保護人類和航天器。圖片來源：NASA

地球非常的幸運，因為它被廣闊的磁場網絡所環繞。如果沒有這些磁場網絡。大氣層的大部分組成早就會被強力的太陽風給颳走了。包括我們在內的地球上的所有事物就不可能存在了。

科學家們認識到，在火星早期的歷史進程中，可能曾經也擁有着強大的磁場，使得那時候的火星更温暖、更濕潤。直到這強大的磁場所剩無幾後，這顆星球開始變得乾燥、貧瘠。正是這樣的認識引出了一個非常有趣的問題：如果火星重新擁有了正常運轉的磁層之後，這個星球能否會重新形成更厚的大氣層，更温暖的氣候以及液態的地表水？

NASA行星科學部的主任詹姆斯·格林認為這是可以實現的。並且在他們的幫助下，這種變化可能會發生在一個人類生命的時間尺度內，甚至都不用天文級的時間度量。

對於如何重建火星磁場，以及在此之後，火星的氣候如何更加適合人類甚至是普通民眾探索火星的問題，在機構總部召開的NASA行星科學遠景 2050 研討會上，格林展示了這方面的模型，模擬過程和初步想法。

這個方案的主要想法就是製造一個能夠保護行星不受高能太陽粒子輻射的“磁屏蔽”。這個屏障的結構包含一個巨大偶極子，也就是一個能量巨大的閉合線圈。這個線圈的能量足以生成一個人造的磁場。模擬顯示，相對而言，這個裝置能夠將火星保護在自己所產生的磁場的磁尾中。最終的結果就是：結束長期以來太陽風不斷地對火星大氣層剝離的情況，並且能使火星氣候得到顯著地改善。

格林在研討會上講到：“太陽系是屬於我們的，讓我們一起探索他”。他進一步説，“這其中當然包括我們所提到的火星。為了使人類能夠與我們一起探索火星，我們需要更好的環境。”

如圖中L1點所示，該點為一個尺寸足夠大的人工磁層。在這點火星引力和太陽引力剛好達到平衡。這樣就能使得火星被好好地保護在我們所説地磁尾（Magnetotail

）中了。L1點距離火星大概有673920英里（約有320個火星半徑）格林的團隊模擬了星際間的日冕物質拋射向火星的軌跡。結果表示，相比沒有磁層保護，在人工磁層產生的磁尾中安安靜靜地待著，能夠讓火星的大氣層被剝離掉的質量少一個數量級。圖片來源：詹姆斯·格林。

“地球化”能不能讓火星變為一個更適宜人類居住的地方呢？這是一個非常吸引人但是卻又充滿爭議的想法。這樣的想法已經持續了數十年了，但是格林依然對此持保留態度。

“我對於‘地球化’的理解是，人類有意的向行星的大氣層輸送行星量級的氣體。”格林在信件中寫道，“我可能有點吹毛求疵，但是的確在我們的模擬中，如果沒有向大氣層中引入任何物質，那麼火星自己也不會產生任何物質。事實上，我們這樣的想法只是加速了一項在未來更長一段時間內自然會發生的事情”

需要提及的一件事就是，很多的專家學者都認為，無論人類未來要做什麼，火星都將會變得更加暖和，它的大氣層也會變得更厚。但是以它自己的速度來看，這個過程將會持續很長一段時間。

大氣壓相對較小的改變，就能夠阻止宇航員的血液沸騰。

為了更進一步的解釋，我們先講一下火星的演變歷史。35億年前，火星曾有着比現在厚很多的大氣層。那個時候因為大氣層的保護，火星表面温度非常適宜，所以火星表面上能夠存在大量流動和彙集的水，甚至還能形成海洋。（甚至還可能有生物形成的條件。）但是不知怎麼的，由於火星地核內部的鐵內核不起作用了，導致火星磁場失效。大約有百分之九十的火星大氣層，被來自太陽風中的速度高達每秒250 – 750千米的帶電粒子給颳走了。

當然現在的火星非常的寒冷乾燥，但是格林表示，太陽系的動力學表明這個行星會在某一個時間節點重新回温。

NASA的行星科學部的主任詹姆斯·格林。圖片來源：NASA

他還表示，科學家們預計逐漸增加的太陽熱量會使得火星温度升高，這樣覆蓋在火星北極的固態二氧化碳就會被釋放。而且同時固態冰也會變成流動水，隨着時間推移，會在大氣層中產生温室大氣。但是這個過程需要經歷 7 億年。

“我的想法是，我們知道火星在很久之前就失去了它的磁場。太陽風從那時起就剝離了火星的大氣（尤其是氧氣）。太陽風隨後在火星上達到放氣平衡。”（放氣表示釋放行星表層下的氣態化合物。）格林説到，“如果我們能夠減輕這種將大氣層剝離的行為，那麼大氣壓將會隨着時間的推移而升高。大氣壓的升高進而使得氣温走高，但是我們尚未精確地計算出什麼時候會達到什麼樣新的平衡。”

之所以如此，是因為格林和他的同事們發現在大氣的模型中加入其他的物理因素愈發必要，隨着時間推移模型中動力學因素越來越明顯和重要。他相信這些加入的物理因素能夠得到很好的發展。而且火星上空正環繞着歐洲宇航局的氣體軌道追蹤探測器。這個探測器能夠檢測對於改善火星大氣起重要作用的分子和化合物。

因此，對於模擬未來火星氣候的新的磁場模型和計劃。火星什麼時候才能夠被改善至適合人類生存呢？

模擬顯示，磁場強度需要達到地磁場的1.6倍。

誠然，大氣壓強上一個相對小小的改變就能夠阻止宇航員的血液沸騰，所以防護服和衣物的設計會很簡單。但是目前火星的日平均温度變化範圍高達170華氏温度，所以需要進行實質性的改造才能使其對人類更加的適宜。

格林的研討會關注的是21世紀中期能夠發生的事情，所以他希望這個領域能夠取得一些進展。

火星北極區的視圖。數據由NASA的火星全球勘探者號上的兩台儀器提供。距離大約620英里，白色的區域主要是固態水。在北半球的冬季，凍結的二氧化碳只聚集在北蓋，形成相對較薄的一層，這層的厚度只有一米。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/MSSS

該論文吸引人的部分之一便是，NASA以一己之力將所有的基本模型整合了起來。這些模型能夠預測火星上從全球氣候到空間氣象的所有內容。比如，這個很有潛力的人造磁層模型，就依賴於NASA在太陽物理學領域的工作——太陽物理是對太陽研究最前沿的學科。

董川飛（Chuanfei Dong） 是一名火星空間氣象領域的專家，同時還是普林斯頓大學的副研究員。同時也是這篇論文的共同作者，他在這項工作中做了很多模型上的研究。他利用塊自適應樹太陽風子型逆風方案（BATS-R-US）模型來測試人造磁氣層的潛在的屏蔽效應。並發現當磁場足夠強的時候，屏蔽效應就足夠大。實際上，這裏足夠大意味着，屏蔽效應大到能夠很大程度上阻止太陽風對火星大氣層的剝離。他還解釋説，人造偶極子磁場必須要旋轉才能阻止白天的相互作用，換過來還要阻止夜晚的相互作用。

如果人工磁場不能夠很好的抵擋太陽風，火星將會失去更多的大氣層。這就是為什麼這個行星需要被安全地放在人造磁層所產生的磁尾中。

在他們的論文中，作者承認人造磁氣圈的計劃聽起來有點異想天開。但是他説最新的研究表明，一個微型的磁層足以用來保護人類和宇宙飛船。他説在未來充氣結構的磁層能夠產生1-2特斯拉（用來表示磁場強度的單位）的磁偶極場，這個強度的磁場足可以抵禦太陽風。在模擬中這樣的磁場約是地球磁場的1.6倍。

總結一下格林和其他研究人員的想法，也就是這篇短論文的結論部分。

我們已經可以確定的是火星上温度升高4℃，就能夠讓處於火星北極的二氧化碳覆蓋層全部融化。大氣中的温室氣體——二氧化碳含量的提高，進而能夠令火星北部的固態水融化。據估計遠古火星上有約1/7的水都被冰封在了火星北部中。這樣，對人類來説，火星便又一次成為了與地球類似的適宜居住的環境。對於將火星變成一個供人類居住和研究的星球還需要多久的問題，目前這些模擬結果將會重新審視並預測具體時間。

*馬克·考夫曼著有兩本關於太空的書籍：《近距離拍攝：好奇號的任務內部》和《初次接觸：尋找地外生物的科學突破》。他還是一個經驗豐富的記者，曾經在《華盛頓郵報》和《費城問詢者報》工作過三年。

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