如何在火星上装上一圈大气层？

来源：中科院物理所

一封10年前留给自己的家信，使肖家远的女儿肖凌宇踏上了前往月球的旅程，无论是从起飞到返回地球的所有技术细节，还是她在旅途中所经历的心路历程，其真实程度都会给读者带来意想不到的震撼。

与大多数科幻小说通常描写距今几百年之后的虚幻世界不同，本书通过20～25后前往月球的旅客和基于当下技术背景的月球旅店的构思设计与融资过程两条故事线，展现了前往月球旅游对游客的独特吸引力和实现这个愿景接近真实的技术途径与可行性。使这一切成为可能的，正是肖凌宇的父亲——一个将毕生奉献给国家任务的航天型号总师，为实现人类走出地球摇篮这个富有情怀的使命，在退休之后集团体之力所开辟和实践的新航天事业。

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作者：Marc Kaufman

翻译：Kun

审校：Nuor

人造火星磁气圈（磁层）的想法听起来很异想天开。但在最新研究中，研究人员表示微型的磁层就可以保护人类和航天器。图片来源：NASA 

地球非常的幸运，因为它被广阔的磁场网络所环绕。如果没有这些磁场网络。大气层的大部分组成早就会被强力的太阳风给刮走了。包括我们在内的地球上的所有事物就不可能存在了。 

科学家们认识到，在火星早期的历史进程中，可能曾经也拥有着强大的磁场，使得那时候的火星更温暖、更湿润。直到这强大的磁场所剩无几后，这颗星球开始变得干燥、贫瘠。正是这样的认识引出了一个非常有趣的问题：如果火星重新拥有了正常运转的磁层之后，这个星球能否会重新形成更厚的大气层，更温暖的气候以及液态的地表水？ 

NASA行星科学部的主任詹姆斯·格林认为这是可以实现的。并且在他们的帮助下，这种变化可能会发生在一个人类生命的时间尺度内，甚至都不用天文级的时间度量。 

对于如何重建火星磁场，以及在此之后，火星的气候如何更加适合人类甚至是普通民众探索火星的问题，在机构总部召开的NASA行星科学远景 2050 研讨会上，格林展示了这方面的模型，模拟过程和初步想法。 

这个方案的主要想法就是制造一个能够保护行星不受高能太阳粒子辐射的“磁屏蔽”。这个屏障的结构包含一个巨大偶极子，也就是一个能量巨大的闭合线圈。这个线圈的能量足以生成一个人造的磁场。模拟显示，相对而言，这个装置能够将火星保护在自己所产生的磁场的磁尾中。最终的结果就是：结束长期以来太阳风不断地对火星大气层剥离的情况，并且能使火星气候得到显著地改善。

格林在研讨会上讲到：“太阳系是属于我们的，让我们一起探索他”。他进一步说，“这其中当然包括我们所提到的火星。为了使人类能够与我们一起探索火星，我们需要更好的环境。”

如图中L1点所示，该点为一个尺寸足够大的人工磁层。在这点火星引力和太阳引力刚好达到平衡。这样就能使得火星被好好地保护在我们所说地磁尾（Magnetotail ）中了。L1点距离火星大概有673920英里（约有320个火星半径）格林的团队模拟了星际间的日冕物质抛射向火星的轨迹。结果表示，相比没有磁层保护，在人工磁层产生的磁尾中安安静静地呆着，能够让火星的大气层被剥离掉的质量少一个数量级。图片来源：詹姆斯·格林。 

“地球化”能不能让火星变为一个更适宜人类居住的地方呢？这是一个非常吸引人但是却又充满争议的想法。这样的想法已经持续了数十年了，但是格林依然对此持保留态度。 

“我对于‘地球化’的理解是，人类有意的向行星的大气层输送行星量级的气体。”格林在信件中写道，“我可能有点吹毛求疵，但是的确在我们的模拟中，如果没有向大气层中引入任何物质，那么火星自己也不会产生任何物质。事实上，我们这样的想法只是加速了一项在未来更长一段时间内自然会发生的事情”

需要提及的一件事就是，很多的专家学者都认为，无论人类未来要做什么，火星都将会变得更加暖和，它的大气层也会变得更厚。但是以它自己的速度来看，这个过程将会持续很长一段时间。 

大气压相对较小的改变，就能够阻止宇航员的血液沸腾。

为了更进一步的解释，我们先讲一下火星的演变历史。35亿年前，火星曾有着比现在厚很多的大气层。那个时候因为大气层的保护，火星表面温度非常适宜，所以火星表面上能够存在大量流动和汇集的水，甚至还能形成海洋。（甚至还可能有生物形成的条件。）但是不知怎么的，由于火星地核内部的铁内核不起作用了，导致火星磁场失效。大约有百分之九十的火星大气层，被来自太阳风中的速度高达每秒250 – 750千米的带电粒子给刮走了。 

当然现在的火星非常的寒冷干燥，但是格林表示，太阳系的动力学表明这个行星会在某一个时间节点重新回温。

NASA的行星科学部的主任詹姆斯·格林。图片来源：NASA 

他还表示，科学家们预计逐渐增加的太阳热量会使得火星温度升高，这样覆盖在火星北极的固态二氧化碳就会被释放。而且同时固态冰也会变成流动水，随着时间推移，会在大气层中产生温室大气。但是这个过程需要经历 7 亿年。 

“我的想法是，我们知道火星在很久之前就失去了它的磁场。太阳风从那时起就剥离了火星的大气（尤其是氧气）。太阳风随后在火星上达到放气平衡。”（放气表示释放行星表层下的气态化合物。）格林说到，“如果我们能够减轻这种将大气层剥离的行为，那么大气压将会随着时间的推移而升高。大气压的升高进而使得气温走高，但是我们尚未精确地计算出什么时候会达到什么样新的平衡。” 

之所以如此，是因为格林和他的同事们发现在大气的模型中加入其他的物理因素愈发必要，随着时间推移模型中动力学因素越来越明显和重要。他相信这些加入的物理因素能够得到很好的发展。而且火星上空正环绕着欧洲宇航局的气体轨道追踪探测器。这个探测器能够检测对于改善火星大气起重要作用的分子和化合物。 

因此，对于模拟未来火星气候的新的磁场模型和计划。火星什么时候才能够被改善至适合人类生存呢？ 

模拟显示，磁场强度需要达到地磁场的1.6倍。

诚然，大气压强上一个相对小小的改变就能够阻止宇航员的血液沸腾，所以防护服和衣物的设计会很简单。但是目前火星的日平均温度变化范围高达170华氏温度，所以需要进行实质性的改造才能使其对人类更加的适宜。

格林的研讨会关注的是21世纪中期能够发生的事情，所以他希望这个领域能够取得一些进展。 

火星北极区的视图。数据由NASA的火星全球勘探者号上的两台仪器提供。距离大约620英里，白色的区域主要是固态水。在北半球的冬季，冻结的二氧化碳只聚集在北盖，形成相对较薄的一层，这层的厚度只有一米。图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS 

该论文吸引人的部分之一便是，NASA以一己之力将所有的基本模型整合了起来。这些模型能够预测火星上从全球气候到空间气象的所有内容。比如，这个很有潜力的人造磁层模型，就依赖于NASA在太阳物理学领域的工作——太阳物理是对太阳研究最前沿的学科。 

董川飞（Chuanfei Dong） 是一名火星空间气象领域的专家，同时还是普林斯顿大学的副研究员。同时也是这篇论文的共同作者，他在这项工作中做了很多模型上的研究。他利用块自适应树太阳风子型逆风方案（BATS-R-US）模型来测试人造磁气层的潜在的屏蔽效应。并发现当磁场足够强的时候，屏蔽效应就足够大。实际上，这里足够大意味着，屏蔽效应大到能够很大程度上阻止太阳风对火星大气层的剥离。他还解释说，人造偶极子磁场必须要旋转才能阻止白天的相互作用，换过来还要阻止夜晚的相互作用。 

如果人工磁场不能够很好的抵挡太阳风，火星将会失去更多的大气层。这就是为什么这个行星需要被安全地放在人造磁层所产生的磁尾中。 

在他们的论文中，作者承认人造磁气圈的计划听起来有点异想天开。但是他说最新的研究表明，一个微型的磁层足以用来保护人类和宇宙飞船。他说在未来充气结构的磁层能够产生1-2特斯拉（用来表示磁场强度的单位）的磁偶极场，这个强度的磁场足可以抵御太阳风。在模拟中这样的磁场约是地球磁场的1.6倍。 

总结一下格林和其他研究人员的想法，也就是这篇短论文的结论部分。

我们已经可以确定的是火星上温度升高4℃，就能够让处于火星北极的二氧化碳覆盖层全部融化。大气中的温室气体——二氧化碳含量的提高，进而能够令火星北部的固态水融化。据估计远古火星上有约1/7的水都被冰封在了火星北部中。这样，对人类来说，火星便又一次成为了与地球类似的适宜居住的环境。对于将火星变成一个供人类居住和研究的星球还需要多久的问题，目前这些模拟结果将会重新审视并预测具体时间。 

*马克·考夫曼著有两本关于太空的书籍：《近距离拍摄：好奇号的任务内部》和《初次接触：寻找地外生物的科学突破》。他还是一个经验丰富的记者，曾经在《华盛顿邮报》和《费城问询者报》工作过三年。

原文链接：http://nautil.us/blog/-how-to-give-mars-an-atmosphere-maybe-