與其他星球相比，地球無疑是非常幸運的，因為地球周圍有巨大的磁場網。在磁場的保護下，地球大氣層才沒有被猛烈的太陽風吹走，生命才得以存活。

火星常被看作第二個地球，因為火星與地球有許多相似之處。在火星形成初期，也曾像地球一樣有過強大的磁場，那時火星比現在更加溫暖濕潤。

如今，火星的磁場已經形同虛設，火星的大氣層也變得非常稀薄，整體氣候又干又冷。

這就引發了一個有趣的問題：如果有一個強大的磁層保護火星不受太陽風影響，火星會再次擁有更厚的大氣層、更溫暖的氣候和液態的地表水嗎？

NASA行星科學部主任詹姆斯·格林（James Green）認為，這是有可能的。

在人力介入下，也許無需多少億年，這些變化就能實現。

NASA的人造磁層設想

在NASA總部舉行的「NASA行星科學2050年願景研討會」（NASA Planetary Science Vision 2050 Workshop）上，格林就如何重建火星磁場，如何改善火星氣候等問題，展示了模擬實驗、相關模型以及初期設想等。

NASA設想建立一個「磁力盾」來保護火星免受高能太陽粒子傷害。這個盾牌由一個巨大的偶極子組成——一個強大到足以產生人工磁場的閉合電路。在模擬中，火星將位於人造磁場相對安全的磁尾處。模擬實驗結果顯示：在人造磁場保護下，太陽風對火星大氣的大規模破壞停止了，火星的氣候也發生了重大變化。

「太陽系是我們的，火星當然也不例外。」格林在研討會上說，「但是人類要想探索火星，需要更好的環境。」

這種改造屬於「地球化」嗎？（註：所謂地球化，是指使外星環境更適宜人類居住）早在幾十年前，就有人提出這個問題，格林沒有直接給出肯定回答。

「我所理解的地球化，是人類故意向行星大氣中直接添加氣體。」他在一封電子郵件中寫道，「也許我有些吹毛求疵，但在模擬實驗中，我們沒有向大氣中添加任何東西。實際上，這個實驗只是加速了可能需要更長時間才會發生的自然過程。」

他還提到，許多專家認為無論人類插不插手，火星都會變得更加溫暖，大氣層也會變得更厚。而如果我們什麼都不做，這一過程需要花費很長時間。

火星的過去與未來

為了進一步搞懂這個問題，我們先來回顧一下火星的歷史。

約35億年以前，火星的大氣層比現在要厚得多。在大氣層的保護下，火星表面溫度適中，大量地表水流動、聚集，甚至形成了海洋。（也許，最初的生命也出現了。）但是，在火星內核因不明原因冷卻後，由此產生的磁場也隨之消失。失去磁場保護後，約90%的火星大氣被速度快達250-750公里/秒的太陽風中的帶電粒子剝離。

當然，火星現在是又冷又乾的。但是格林表示，從太陽系的發展趨勢來看，火星會在將來某天再次變暖。科學家們預計，隨著太陽的溫度逐漸上升，火星會逐漸變暖，充足的熱量使火星北極凍結的二氧化碳釋放出來，使得水冰（由水或融水在低溫下固結的冰）流動起來，並最終轉化成某種溫室氣體。但是，這個過程預計需要花費7億年。

「關鍵是，我們現在知道火星磁場很久之前就消失了，太陽風從那時起就一直在剝離火星大氣層（尤其是氧氣）。從某種程度上來說，太陽風與火星的逸出氣體保持了一種平衡。」（逸出氣體是指星球地表下釋放出的氣體化合物。）格林表示，「如果我們能大幅減少氣體逸出，隨著時間推移，火星將會出現高氣壓大氣層。氣壓升高會引起氣溫上升。我們還沒有準確測算出新的平衡將會是什麼樣子，究竟需要多長時間。」

他們需要在大氣模型中額外增加一些物理學模型，因為隨著時間推移，動力學知識將會變得更加重要。但格林堅信，這些物理模型會得到發展。他還表示，歐洲航天局（European Space Agency）的繞火星大氣探測軌道飛行器，能夠識別出可能在火星大氣中發揮重要作用的分子和化合物。

因此，從火星的新磁場模型和火星未來氣候預測來看，什麼時候我們才能真正改善火星氣候，使它適合人類生存呢？

氣壓的一個小變化就能防止太空人的血液沸騰，這樣一來為太空人設計防護服和衣服會更加簡單。但是現在火星上的日平均溫度變化範圍約為170華氏度，需要一些實質性的大氣改變才能使其更適合人類生存。

格林的研討會重點討論了21世紀中期可能發生的問題，他希望那時人類能在人造磁場領域取得一些進展。

NASA「火星全球探測者」拍攝的北極冰蓋，約620英里寬，白色部分主要是水冰。僅在北方冬季，冰蓋上凍結的二氧化碳厚度就會增加約一公分。

這篇論文的有趣之處在於，NASA努力將各種基本模型聯繫在一起，從預測火星全球氣候到火星上的太空天氣，無所不包。例如，為火星建造人造磁層模型依賴於NASA的太陽物理學研究——一項對太陽的高級研究。

普林斯頓大學副研究員、火星太空天氣專家董川飛是論文作者之一，參與了大量建模工作。他利用樹狀塊自適應太陽風迎風方案（BATS-R-US）模型來測試人造磁層的屏蔽效果。結果表明，當人造磁場足夠強大時，屏蔽效果非常顯著，能大幅減少太陽風造成的火星大氣損失。他在文中解釋說，人造偶極磁場必須旋轉起來防止磁場在白天重連，這樣又可以反過來阻止磁場在夜晚重連。（註：磁場重連指磁力線斷開後重新聯接，過程中會釋放大量能量，一般認為太陽風暴就是磁重聯導致的。）

如果人造磁場無法阻擋太陽風，火星可能會失去更多大氣。這就是為什麼火星需要待在人造磁層相對安全的磁尾處。

論文寫道，人造火星磁層計劃聽起來可能有些異想天開，但新的研究發現，微型磁層可以用來保護人類和宇宙飛船。將來，充氣結構很有可能產生強度為1或2特斯拉（測量磁場強度的單位）的磁偶極子磁場，可以用來抵禦太陽風。模擬實驗顯示，火星人造磁場的磁力大約是地球磁場的1.6倍。

論文最後總結道：

「可以確定的是，如果火星平均溫度變化4攝氏度左右，火星的溫度就足以融化北極蓋上冰凍的二氧化碳。二氧化碳是一種溫室氣體，大氣中二氧化碳含量增加會導致氣溫升高，讓北極冰蓋中的水融化。據估計，火星的古代海洋有近七分之一被冰凍在極地冰蓋中。溫度上升後，火星可能會再次成為類似地球這樣的宜居星球。我們會對模擬結果進行評估，估測需要多久火星才能成為適宜人類居住、研究的新星球。」

來源：nautil.us

翻譯 | 田曉娜；校對 | 黃一成

版面 | 尹歡歡

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