火星大氣能「復活」，然後可以住人了？

作者 | 池涵

馬文號探測器想像圖 圖源：NASA戈達德航天中心

今年2月11日至4月5日，歷時近兩個月，美國國家宇航局（NASA）火星大氣與揮發物演化探測器（簡稱MAVEN或「馬文號」）成功實現了「大氣制動」，軌道最低點在「大氣制動」期間從151千米降至132千米，將其軌道最高點從6050 千米降至大約4570 千米，軌道周期由原來的4.4個小時縮短到約3.7個小時。

所謂「大氣制動」，即利用火星高層大氣的小量摩擦力來改變衛星軌道，此舉是為了讓馬文號在2020年NASA登陸火星任務中擔任著陸器和火星車之間的通信中繼。

在此期間，馬文號也獲得了近兩個月的低高度大氣數據，為這個高度區間提供了可貴的研究資料庫。

功能全面的火星大氣實驗室

美國科羅拉多大學波爾德分校大氣與空間物理實驗室副研究員董亞雪告訴《中國科學報》，馬文號項目的目標非常明確：測量火星高層大氣及其與太陽風的相互作用，從而研究火星長期的大氣演化。

所有的儀器都緊密圍繞這個目標設計，完備但非常精簡。

比如，馬文號沒有攜帶拍攝可見光圖像的儀器，因為這和火星大氣演化沒有直接聯繫。

而且，其他的火星項目也已經拍攝過大量火星圖像。精簡的儀器可以避免不必要的故障，減少儀器之間的相互影響和限制，也為傳送數據節省了空間，以便將更高精度的數據傳回地球。

此外，馬文號吸取和借鑒了NASA、歐空局和蘇聯多個火星探測項目的經驗教訓。

比如，歐空局的火星探測衛星「火星快車號」上沒有可以測量磁場的磁力計，這給研究火星的感生磁層和離子逃逸造成了局限。

而為了研究火星大氣逃逸，美國加州大學伯克利分校空間科學實驗室副研究員徐紹穗告訴《中國科學報》，馬文號攜帶了比以往的火星大氣衛星都更加齊全的粒子和磁場測量儀器，包含太陽風電子分析儀（SWEA）、太陽風離子分析儀（SWIA）、超熱及熱離子成分儀（STATIC）、太陽高能粒子儀 （SEP）、磁力計（MAG）、中性氣體和離子質譜儀（NGIMS）、朗繆爾探針和波分析儀（LPW）、紫外線監測儀（EUVM），以及成像紫外光譜儀（IUVS）。

這些儀器能測量太陽風和火星電離層的電子和離子分布、火星大氣成分、密度、同位素、電子溫度等信息，彷彿一個功能齊全的實驗室，為建立火星大氣逃逸模型提供主要信息。

火星離住人只差大氣嗎？

「研究火星大氣最終是為了研究火星的宜居性。」美國普林斯頓大學天體物理系、美國能源部普林斯頓等離子體實驗室副研究員董川飛告訴《中國科學報》。

地球和火星都在太陽系的宜居帶裡面，而宜居帶的定義就是行星表面可以支持液態水的存在。

董川飛認為，理解火星大氣的逃逸和宜居性可以幫助我們更好地理解地球大氣未來的演化。同時也為人類改造火星，讓火星適合人類居住提供理論基礎。

董亞雪說，有很多地質學上的證據證明，早期火星有液態水和高密度大氣，有像地球一樣的偶極磁場，是濕潤溫暖的適宜生命演化的環境。

現在的火星大氣稀薄，寒冷乾燥，只有相對較弱的磁場還存在於靠近星球表面一些區域內。

那麼，火星表面的水和大氣是如何流失的？

「通過馬文號以及其他火星探測器的數據，我們可以推算出現階段火星大氣（包括中性氣體和離子）的逃逸率。」董亞雪說，通過在不同時段、不同太陽風和太陽輻射條件下的觀測數據，以及數值模擬的結果，科學家能夠在一定範圍內定量地推算火星大氣逃逸隨太陽風和太陽輻射的變化，從而外推到從早期到現在的火星大氣流失和大氣層的變化。

但是，「目前我們對火星大氣演化的認識還有很多局限」。

董亞雪認為，早期的太陽和火星大氣的條件都沒有直接測量數據，只能通過理論和模擬推測，然而不同的理論模型可能會得到不同的結果，這就存在一個不確定性。

一個像地球的一樣的偶極磁場到底是助長還是阻止大氣逃逸？是否因為偶極磁場的缺失造成了火星大氣的大量流失？這些問題都還沒有得到很好解決。

太陽風剝離火星大氣

碩果累累的火星磁場和大氣研究

徐紹穗介紹，自2014年9月入軌以來，科學家們已經藉助馬文號的觀測結果取得了對火星磁場和大氣的多項重大發現，包括太陽風剝離了早期的火星大氣，從而改造了火星氣候。

董亞雪等人通過觀測以及分辨離子的各種不同逃逸渠道，估算出大氣離子逃逸率以及逃逸率隨太陽輻射的變化。

而董川飛近期的數值模擬揭示了火星（中性氣體與離子）大氣逃逸率的演化關係。

他發現，與當今火星大氣逃逸不同的是，在太陽演化早期，火星大氣離子的逃逸比熱氧的逃逸要重要很多。

徐紹穗告訴《中國科學報》，火星沒有像地球一樣的全球偶極磁場，但有區域化的地殼磁場。這些地殼磁場和太陽風磁場相互作用，構成極為複雜而動態的磁拓撲。

因此磁拓撲研究是研究火星和太陽風相互作用的重要組成部分，也對分析火星極光現象、背陽面電離層，以及離子逃逸機制等提供重要信息。

在近幾年的工作中，徐紹穗和合作者利用太陽風電子分析儀和磁力計數據建立了火星附近的磁拓撲三維結構，以及在極端空間天氣條件下磁拓撲的變化，並觀測到火星地殼磁場對火星電離層和感生磁層造成形態上的影響，比如地殼磁場和太陽風磁場的相互作用能造成火星磁尾的扭轉。

他們開發出完善的系統，為以後磁拓撲研究及其應用提供更全面的資料庫。

2017年9月，火星經歷了馬文號項目開始以來最強烈的行星際日冕物質拋射（ICME，或稱「太陽爆事件」，即從太陽表面噴射出來的磁雲在行星際空間傳播的現象）和太陽耀斑事件，馬文號的多個儀器對火星大氣和磁層進行了同時觀測。

根據開普勒望遠鏡對於類太陽恆星在演化早期階段的觀測，科學家們推斷在太陽演化早期（比如40億年前），ICME 其實非常頻繁和常見，當ICME 撞擊火星時，由於火星沒有全球磁場的保護，所以ICME可以直接和火星的高層大氣相互作用。

相比一般太陽風，ICME的動壓會增強很多倍。

董川飛說，比如你剛剛洗完頭在室外走，清風徐徐吹來，不知不覺中頭髮就被吹乾了。

但是，如果碰到風暴，也許你人都會被吹走，更別說只是吹乾頭髮了。

前者就好像一般的太陽風，後者可以理解成ICME。所以ICME 會讓火星的大氣逃逸率增加很多倍，具體增加多少，取決於ICME的強度。

根據2015年發表於《科學》期刊封面的馬文號研究結果，即使一個ICME的邊緣輕輕從火星掠過，火星的大氣逃逸率也增加了10 多倍。

由此可以想像，回到40 億年前，ICME 的頻率和強度都比現在高很多倍，所以ICME 在火星大氣的逃逸和長期演化的過程中扮演了至關重要的角色。

可以說，正是因為缺乏適當強度磁場的保護，火星的大氣被這些猛烈的早期太陽風暴「吹」走，才使火星從過去溫暖潮濕的環境變成了今天這樣既冷又乾的狀態。

再造火星大氣

了解了太陽風和ICME對火星大氣的影響，以及一個全球性偶極磁場對保護火星大氣以及宜居性的重要之後，有沒有可能人工造出一個磁場來重塑火星面貌呢？

NASA首席科學家詹姆斯·格林和董川飛認為是可能的。

他們設想，在火星和太陽之間的拉格朗日點放置一個功率強大的超導線圈，產生一個巨型的人造偶極磁場，將火星置於其磁尾之中，從而使火星大氣不再被太陽風吹走。

如果火星大氣逃逸率變低了，而其地表仍然在往外提供氣體，這樣大氣就會慢慢累積，到了一定程度，大氣溫度就會升高。

而隨著溫度的升高，火星南北極表面的二氧化碳冰層就會慢慢融化，這樣大氣里的二氧化碳等溫室氣體就會增加，從而導致大氣溫度持續增加，形成正反饋。

等到二氧化碳融化以後，火星南北極底層的冰就會開始慢慢融化變成水或者水蒸氣（也是溫室氣體），這樣的正反饋持續下去，火星表面將形成液態水的河流、湖泊甚至海洋。

格林認為，這個過程會自然發生，只不過要花7億年。他們的計劃能夠使這個過程加速發生。

「太陽系是我們的，我們應該走向它們。」他說。

而且，董川飛說：「地球一開始的大氣成分主要是二氧化碳，和火星現在的大氣主要成分很像。所以我們可以合理推測，當火星有了足夠的大氣和液態海洋，到了一定時間，火星上也可以發生類似於26 億年前地球上的大氧化事件，最終產生很多氧氣。」

雖然董川飛坦言以目前的技術條件還無法維持一個這麼強的磁場，但他認為隨著人類科學技術的發展，最終一定可以突破這個難題。

不言而喻，如果該設想能夠實現，並擁有一個氣壓更高、更溫暖、更濕潤的大氣之後，人類移居火星的夢想將變得更加容易實現。

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