天问一号探测器开启火星征程，我们距离成为火星原住民还有多远？_风闻

　　今日12时41分，中国首次火星探测任务天问一号探测器，在中国文昌航天发射场，由长征五号遥四运载火箭发射升空。 

天问一号整流罩

天问一号发射瞬间

　　天问一号探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后，到达火星附近，进入环火轨道，并择机开展着陆、巡视等任务，进行火星科学探测。

　　我们已经飞向火星，开启了火星探测之旅，那距离成为火星人还有多远？也许只差一个人造磁层。

　　火星常被认为是第二个地球，因为火星与地球有许多相似之处。在火星形成初期，也曾像地球一样有过强大的磁场，那时火星比现在更加温暖湿润。但如今，火星的磁场已经形同虚设，火星的大气层也变得非常稀薄，整体气候又干又冷。

　　这就引发了一个有趣的问题：如果有一个强大的磁层保护火星不受太阳风影响，火星会再次拥有更厚的大气层、更温暖的气候和液态的地表水吗？

　　NASA行星科学部主任詹姆斯·格林（James Green）认为，这是有可能的。

詹姆斯·格林

　　在人力介入下，也许无需多少亿年，这些变化就能实现。

NASA的人造磁层设想

　　在NASA总部举行的“NASA行星科学2050年愿景研讨会”（NASA Planetary Science Vision 2050 Workshop）上，格林就如何重建火星磁场，如何改善火星气候等问题，展示了模拟实验、相关模型以及初期设想等。

　　**NASA设想建立一个“磁力盾”来保护火星免受高能太阳粒子伤害。这个盾牌由一个巨大的偶极子组成——一个强大到足以产生人工磁场的闭合电路。**在模拟中，火星将位于人造磁场相对安全的磁尾处。模拟实验结果显示：在人造磁场保护下，太阳风对火星大气的大规模破坏停止了，火星的气候也发生了重大变化。

　　“太阳系是我们的，火星当然也不例外。”格林在研讨会上说，“但是人类要想探索火星，需要更好的环境。”

　　L1处火星和太阳的引力大致平衡，因此在此处制造一个足够大的人造磁层，可以使火星位于磁场的磁尾处受到保护。L1处与火星相距673920英里（约为火星半径的320倍）。格林带领团队模拟了火星上极端行星间日冕物质抛射过程。（注：日冕物质抛射是指太阳向外抛射巨大的、携带磁力线的泡沫状气体，是一种太阳风暴，破坏性极大。）因为处于人造磁层磁尾中，火星损失的大气比无磁场保护下少一个数量级。

　　这种改造属于“地球化”吗？（注：地球化，是指使外星环境更适宜人类居住）早在几十年前，就有人提出这个问题，格林没有直接给出肯定回答。

　　“我所理解的地球化，是人类故意向行星大气中直接添加气体。”他在一封电子邮件中写道，“也许我有些吹毛求疵，但在模拟实验中，我们没有向大气中添加任何东西。实际上，这个实验只是加速了可能需要更长时间才会发生的自然过程。”

　　他还提到，许多专家认为无论人类插不插手，火星都会变得更加温暖，大气层也会变得更厚。而如果我们什么都不做，这一过程需要花费很长时间。

火星的过去与未来

　　为了进一步搞懂这个问题，我们先来回顾一下火星的历史。

　　约35亿年以前，火星的大气层比现在要厚得多。在大气层的保护下，火星表面温度适中，大量地表水流动、聚集，甚至形成了海洋。（也许，最初的生命也出现了。）但是，在火星内核因不明原因冷却后，由此产生的磁场也随之消失。失去磁场保护后，约90%的火星大气被速度快达250-750公里/秒的太阳风中的带电粒子剥离。

太阳风暴中，火星大气离子被剥离

　　当然，火星现在是又冷又干的。但是格林表示，**从太阳系的发展趋势来看，火星会在将来某天再次变暖。**科学家们预计，随着太阳的温度逐渐上升，火星会逐渐变暖，充足的热量使火星北极冻结的二氧化碳释放出来，使得水冰（由水或融水在低温下固结的冰）流动起来，并最终转化成某种温室气体。但是，这个过程预计需要花费7亿年。

　　“关键是，我们现在知道火星磁场很久之前就消失了，太阳风从那时起就一直在剥离火星大气层（尤其是氧气）。从某种程度上来说，太阳风与火星的逸出气体保持了一种平衡。”（注：逸出气体是指星球地表下释放出的气体化合物。）

　　格林表示，“如果我们能大幅减少气体逸出，随着时间推移，火星将会出现高气压大气层。气压升高会引起气温上升。我们还没有准确测算出新的平衡将会是什么样子，究竟需要多长时间。”

　　他们需要在大气模型中额外增加一些物理学模型，因为随着时间推移，动力学知识将会变得更加重要。但格林坚信，这些物理模型会得到发展。他还表示，欧洲航天局（European Space Agency）的绕火星大气探测轨道飞行器，能够识别出可能在火星大气中发挥重要作用的分子和化合物。

探测器

　　因此，从火星的新磁场模型和火星未来气候预测来看，什么时候我们才能真正改善火星气候，使它适合人类生存呢？

　　气压的一个小变化就能防止宇航员的血液沸腾，这样一来为宇航员设计防护服和衣服会更加简单。但是现在火星上的日平均温度变化范围约为170华氏度，需要一些实质性的大气改变才能使其更适合人类生存。

　　格林的研讨会重点讨论了21世纪中期可能发生的问题，他希望那时人类能在人造磁场领域取得一些进展。

　　NASA“火星全球探测者”拍摄的北极冰盖，约620英里宽，白色部分主要是水冰。仅在北方冬季，冰盖上冻结的二氧化碳厚度就会增加约一公分

　　这篇论文的有趣之处在于，NASA努力将各种基本模型联系在一起，从预测火星全球气候到火星上的太空天气，无所不包。例如，为火星建造人造磁层模型依赖于NASA的太阳物理学研究——一项对太阳的高级研究。

　　普林斯顿大学副研究员、火星太空天气专家董川飞是论文作者之一，参与了大量建模工作。他利用树状块自适应太阳风迎风方案（BATS-R-US）模型来测试人造磁层的屏蔽效果。

　　结果表明，**当人造磁场足够强大时，屏蔽效果非常显著，能大幅减少太阳风造成的火星大气损失。**他在文中解释说，人造偶极磁场必须旋转起来防止磁场在白天重连，这样又可以反过来阻止磁场在夜晚重连。（注：磁场重连指磁力线断开后重新联接，过程中会释放大量能量，一般认为太阳风暴就是磁重联导致的。）

　　如果人造磁场无法阻挡太阳风，火星可能会失去更多大气。这就是为什么火星需要待在人造磁层相对安全的磁尾处。

　　论文写道，人造火星磁层计划听起来可能有些异想天开，但新的研究发现，微型磁层可以用来保护人类和宇宙飞船。将来，充气结构很有可能产生强度为1或2特斯拉（测量磁场强度的单位）的磁偶极子磁场，可以用来抵御太阳风。模拟实验显示，火星人造磁场的磁力大约是地球磁场的1.6倍。

　　论文最后总结道：

　　“可以确定的是**，如果火星平均温度变化4摄氏度左右，火星的温度就足以融化北极盖上冰冻的二氧化碳。**二氧化碳是一种温室气体，大气中二氧化碳含量增加会导致气温升高，让北极冰盖中的水融化。据估计，火星的古代海洋有近七分之一被冰冻在极地冰盖中。温度上升后，火星可能会再次成为类似地球这样的宜居星球。我们会对模拟结果进行评估，估测需要多久火星才能成为适宜人类居住、研究的新星球。”