只需一个人造磁层,火星就有望成为第二地球?​
2020-01-15 18:50

只需一个人造磁层,火星就有望成为第二地球?​

文章来自公众号:造就(ID:xingshu100)1分3d_[官网首页],翻译:田晓娜,题图来自:图虫创意。


与其他星球相比,地球无疑是非常幸运的,因为地球周围有巨大的磁场网。在磁场的保护下,地球大气层才没有被猛烈的太阳风吹走,生命才得以存活。


火星常被看作第二个地球,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。


1分3d_[官网首页]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


1分3d_[官网首页]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:所谓地球化,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。”(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。


文章来自公众号:造就(ID:xingshu100),翻译:田晓娜。

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