马文号：“复活”火星大气可能吗？

来源：中国科学报

作者 | 池涵

马文号探测器想象图 图源：NASA戈达德航天中心

今年2月11日至4月5日，历时近两个月，美国国家宇航局（NASA）火星大气与挥发物演化探测器（简称MAVEN或“马文号”）成功实现了“大气制动”，轨道最低点在“大气制动”期间从151千米降至132千米，将其轨道最高点从6050 千米降至大约4570 千米，轨道周期由原来的4.4个小时缩短到约3.7个小时。

所谓“大气制动”，即利用火星高层大气的小量摩擦力来改变卫星轨道，此举是为了让马文号在2020年NASA登陆火星任务中担任着陆器和火星车之间的通信中继。

在此期间，马文号也获得了近两个月的低高度大气数据，为这个高度区间提供了可贵的研究数据库。

功能全面的火星大气实验室

美国科罗拉多大学波尔德分校大气与空间物理实验室副研究员董亚雪告诉《中国科学报》，马文号项目的目标非常明确：测量火星高层大气及其与太阳风的相互作用，从而研究火星长期的大气演化。

所有的仪器都紧密围绕这个目标设计，完备但非常精简。

比如，马文号没有携带拍摄可见光图像的仪器，因为这和火星大气演化没有直接联系。

而且，其他的火星项目也已经拍摄过大量火星图像。精简的仪器可以避免不必要的故障，减少仪器之间的相互影响和限制，也为传送数据节省了空间，以便将更高精度的数据传回地球。

此外，马文号吸取和借鉴了NASA、欧空局和苏联多个火星探测项目的经验教训。

比如，欧空局的火星探测卫星“火星快车号”上没有可以测量磁场的磁力计，这给研究火星的感生磁层和离子逃逸造成了局限。

而为了研究火星大气逃逸，美国加州大学伯克利分校空间科学实验室副研究员徐绍穗告诉《中国科学报》，马文号携带了比以往的火星大气卫星都更加齐全的粒子和磁场测量仪器，包含太阳风电子分析仪（SWEA）、太阳风离子分析仪（SWIA）、超热及热离子成分仪（STATIC）、太阳高能粒子仪 （SEP）、磁力计（MAG）、中性气体和离子质谱仪（NGIMS）、朗缪尔探针和波分析仪（LPW）、紫外线监测仪（EUVM），以及成像紫外光谱仪（IUVS）。

这些仪器能测量太阳风和火星电离层的电子和离子分布、火星大气成分、密度、同位素、电子温度等信息，仿佛一个功能齐全的实验室，为建立火星大气逃逸模型提供主要信息。

火星离住人只差大气吗？

“研究火星大气最终是为了研究火星的宜居性。”美国普林斯顿大学天体物理系、美国能源部普林斯顿等离子体实验室副研究员董川飞告诉《中国科学报》。

地球和火星都在太阳系的宜居带里面，而宜居带的定义就是行星表面可以支持液态水的存在。

董川飞认为，理解火星大气的逃逸和宜居性可以帮助我们更好地理解地球大气未来的演化。同时也为人类改造火星，让火星适合人类居住提供理论基础。

董亚雪说，有很多地质学上的证据证明，早期火星有液态水和高密度大气，有像地球一样的偶极磁场，是湿润温暖的适宜生命演化的环境。

现在的火星大气稀薄，寒冷干燥，只有相对较弱的磁场还存在于靠近星球表面一些区域内。

那么，火星表面的水和大气是如何流失的？

“通过马文号以及其他火星探测器的数据，我们可以推算出现阶段火星大气（包括中性气体和离子）的逃逸率。”董亚雪说，通过在不同时段、不同太阳风和太阳辐射条件下的观测数据，以及数值模拟的结果，科学家能够在一定范围内定量地推算火星大气逃逸随太阳风和太阳辐射的变化，从而外推到从早期到现在的火星大气流失和大气层的变化。

但是，“目前我们对火星大气演化的认识还有很多局限”。

董亚雪认为，早期的太阳和火星大气的条件都没有直接测量数据，只能通过理论和模拟推测，然而不同的理论模型可能会得到不同的结果，这就存在一个不确定性。

一个像地球的一样的偶极磁场到底是助长还是阻止大气逃逸？是否因为偶极磁场的缺失造成了火星大气的大量流失？这些问题都还没有得到很好解决。

太阳风剥离火星大气

硕果累累的火星磁场和大气研究

徐绍穗介绍，自2014年9月入轨以来，科学家们已经借助马文号的观测结果取得了对火星磁场和大气的多项重大发现，包括太阳风剥离了早期的火星大气，从而改造了火星气候。

董亚雪等人通过观测以及分辨离子的各种不同逃逸渠道，估算出大气离子逃逸率以及逃逸率随太阳辐射的变化。

而董川飞近期的数值模拟揭示了火星（中性气体与离子）大气逃逸率的演化关系。

他发现，与当今火星大气逃逸不同的是，在太阳演化早期，火星大气离子的逃逸比热氧的逃逸要重要很多。

徐绍穗告诉《中国科学报》，火星没有像地球一样的全球偶极磁场，但有区域化的地壳磁场。这些地壳磁场和太阳风磁场相互作用，构成极为复杂而动态的磁拓扑。

因此磁拓扑研究是研究火星和太阳风相互作用的重要组成部分，也对分析火星极光现象、背阳面电离层，以及离子逃逸机制等提供重要信息。

在近几年的工作中，徐绍穗和合作者利用太阳风电子分析仪和磁力计数据建立了火星附近的磁拓扑三维结构，以及在极端空间天气条件下磁拓扑的变化，并观测到火星地壳磁场对火星电离层和感生磁层造成形态上的影响，比如地壳磁场和太阳风磁场的相互作用能造成火星磁尾的扭转。

他们开发出完善的系统，为以后磁拓扑研究及其应用提供更全面的数据库。

2017年9月，火星经历了马文号项目开始以来最强烈的行星际日冕物质抛射（ICME，或称“太阳爆事件”，即从太阳表面喷射出来的磁云在行星际空间传播的现象）和太阳耀斑事件，马文号的多个仪器对火星大气和磁层进行了同时观测。

根据开普勒望远镜对于类太阳恒星在演化早期阶段的观测，科学家们推断在太阳演化早期（比如40亿年前），ICME 其实非常频繁和常见，当ICME 撞击火星时，由于火星没有全球磁场的保护，所以ICME可以直接和火星的高层大气相互作用。

相比一般太阳风，ICME的动压会增强很多倍。

董川飞说，比如你刚刚洗完头在室外走，清风徐徐吹来，不知不觉中头发就被吹干了。

但是，如果碰到风暴，也许你人都会被吹走，更别说只是吹干头发了。

前者就好像一般的太阳风，后者可以理解成ICME。所以ICME 会让火星的大气逃逸率增加很多倍，具体增加多少，取决于ICME的强度。

根据2015年发表于《科学》期刊封面的马文号研究结果，即使一个ICME的边缘轻轻从火星掠过，火星的大气逃逸率也增加了10 多倍。

由此可以想象，回到40 亿年前，ICME 的频率和强度都比现在高很多倍，所以ICME 在火星大气的逃逸和长期演化的过程中扮演了至关重要的角色。

可以说，正是因为缺乏适当强度磁场的保护，火星的大气被这些猛烈的早期太阳风暴“吹”走，才使火星从过去温暖潮湿的环境变成了今天这样既冷又干的状态。

再造火星大气

了解了太阳风和ICME对火星大气的影响，以及一个全球性偶极磁场对保护火星大气以及宜居性的重要之后，有没有可能人工造出一个磁场来重塑火星面貌呢？

NASA首席科学家詹姆斯·格林和董川飞认为是可能的。

他们设想，在火星和太阳之间的拉格朗日点放置一个功率强大的超导线圈，产生一个巨型的人造偶极磁场，将火星置于其磁尾之中，从而使火星大气不再被太阳风吹走。

如果火星大气逃逸率变低了，而其地表仍然在往外提供气体，这样大气就会慢慢累积，到了一定程度，大气温度就会升高。

而随着温度的升高，火星南北极表面的二氧化碳冰层就会慢慢融化，这样大气里的二氧化碳等温室气体就会增加，从而导致大气温度持续增加，形成正反馈。

等到二氧化碳融化以后，火星南北极底层的冰就会开始慢慢融化变成水或者水蒸气（也是温室气体），这样的正反馈持续下去，火星表面将形成液态水的河流、湖泊甚至海洋。

格林认为，这个过程会自然发生，只不过要花7亿年。他们的计划能够使这个过程加速发生。

“太阳系是我们的，我们应该走向它们。”他说。

而且，董川飞说：“地球一开始的大气成分主要是二氧化碳，和火星现在的大气主要成分很像。所以我们可以合理推测，当火星有了足够的大气和液态海洋，到了一定时间，火星上也可以发生类似于26 亿年前地球上的大氧化事件，最终产生很多氧气。”

虽然董川飞坦言以目前的技术条件还无法维持一个这么强的磁场，但他认为随着人类科学技术的发展，最终一定可以突破这个难题。

不言而喻，如果该设想能够实现，并拥有一个气压更高、更温暖、更湿润的大气之后，人类移居火星的梦想将变得更加容易实现。

《中国科学报》 (2019-06-18 第8版 探索发现)