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！
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 （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。
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。
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。
太阳风暴侵袭火星大气层渲染图（图片来源：NASA）
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）
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。
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）
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。
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 the Martian induced magnetosphere, Nature Astronomy (2020).
[4]J.L.Green et al., A future Mars environment for Science and Exploration, Planetary Science Vision 2050 Workshop(2017).
来源：科学大院
来源： 国家空间科学中心
