在火星上如何不迷路？指北针有用不
2019/7/14 8:00:00柴立晖 中科院之声
指南针又称指北针，是中国古代的四大发明之一，代表了中华民族对世界的科技贡献。如果迷路了，我们可以随时拿出指南针找到方向。这是在地球上，如果有一天人类移居到其他星球，还能靠指南针找到方向吗？
那得看是到哪个星球了。指南针之所以能指南，关键在于一根小小的磁针。而磁针之所以能指向特定的方向，是因为地球有偶极磁场。地球周围的磁场接近一个地心磁偶极子产生的磁场，它的磁南极大致指向地理北极，所以地球上的磁针总是指明南北方向。
太阳系八大行星中，大多数行星和地球一样都有全球偶极磁场，可用磁针导航。但地球的左邻右舍——金星和火星，这两颗人类最容易到达的行星却偏偏没有明显的全球偶极磁场，无法使用磁针导航。
不过，最近的研究显示可能也不尽然。火星和金星虽然没有来自星球内部的偶极磁场，但它们有与外界太阳风作用感应产生的感应磁场。之前认为感应磁场的方向随太阳风磁场实时变化，所以不能用磁针来确定方向。但是，最近发现了一种方向位置都固定的感应磁场。中科院地质与地球物理研究所的柴立晖副研究员和合作者发现，火星和金星的夜晚一侧存在一个逆时针环绕磁尾(沿日-星连线)的全球性环形感应磁场(图1)。与地球磁场固定在星球上的情况不同，火星和金星这种环形感应磁场是近似固定在太阳和行星的连线上的。
图1.火星(左)和金星(中)的环形磁场Bφ的观测结果和示意图(右)。
也就是说如果知道大致时间和地区，用一个高精度、可测量平均场的磁针，就可辨别方向。比如，在火星北极地区生活的人会发现晚上磁针经常指向西、南极地区指向东、赤道地区的早上指向北、黄昏指向南。金星由于逆向自传，太阳从西边升起，所以赤道地区早晚磁针方向与火星相反，其他和火星一样。
当然，由于这种环形磁场比较弱，而且火星表面还有岩石剩磁干扰，做导航可能还有很多局限。现在，科学家需要弄明白这种环形磁场从何而来？为什么总是逆时针环绕？还有哪些星体有？
环形磁场从何而来？
太阳在不间断的向外喷射高速的带电粒子，称太阳风。当太阳风吹过各个星体时，会与它们发生不同的相互作用。
如果将太阳风比作水流、火星和金星比作水中的大石头，那么太阳风中的磁场就是水草。当水流过石头时，水草会挂在石头上。这种挂在火星和金星上的磁场就是“感应磁层”。感应磁层不仅在火星和金星有，土卫六、靠近太阳的彗星等星体上也有。它是无强内禀磁场但有导体结构(如电离大气、含盐海洋、铁质内核)的星体的共有现象。
然而现实比这复杂。只有在大尺度上，才能把太阳风当做整体水流来理解。如果整体尺度比较小、或太阳风单个粒子的粒子特征尺度比较大时，就要考虑单个粒子效应。当太阳风携带磁场吹过火星和金星时，行星顶部大气的氧离子回旋半径可达几个星球半径那么大。卫星观测已证实大量火星氧离子会向太阳风+E电场方向飞去。
研究人员通过分析观测数据发现，太阳风的氢离子会向-E方向环绕磁尾运行，这是由于动量守恒造成的。也就是说，像水草一样挂在星球上的磁场会被-E向的太阳风带着一起环绕磁尾向发生偏转，这时从星球夜侧望去，就形成了卫星观测到的逆时针环绕磁尾的环形磁场(图2)。
图2.火星周围的磁场结构和等离子体运动。灰色圆球代表火星，红色粗箭头代表火星大气氧离子向+E方向的运动，蓝色粗箭头代表火星周围太阳风离子环绕磁尾向-E方向的运动，彩色曲线代表火星周围被太阳风掰弯的磁场结构。
为什么是逆时针？
自然界中，带正电的离子质量大，使其回旋半径大，而带负电的电子质量很小，使其回旋半径经常忽略不计。所以火星和金星空间环境中的单粒子效应更多是离子的，而不是电子的。火星和金星顶部大气的氧离子，由于质量大带正电，与太阳风作用时向+E方向飞去，最终形成了逆时针的环形磁场。
如果有平行宇宙，里面离子带负电、电子带正电，那么环形磁场就是顺时针了。即：环形磁场总是逆时针，是由于自然界中正负电荷的质量不对称造成的，即带正电的离子质量大，带负电的电子质量小。
还有哪些星体有环形磁场？
火星和金星都有环形磁场。而火星和金星的共性就是都有电离大气、都没有全球性偶极磁场。太阳系中像这样的星体还有土卫六、靠近太阳的彗星等。研究人员在美国旅行者号(Voyage)对土卫六的观测中和欧洲罗塞塔号(Rosetta)对彗星67P/C-G的观测中找到了环形磁场的观测证据(图3)。因此，有电离大气无偶极磁场的星体都应该有环形磁场。
图3. 金星、火星、土卫六和彗星67P/C-G上都观测到了环形磁场现象(红色圆弧代表环形磁场结构，直线箭头代表观测到的磁场)。
环形磁场是通过分析美国火星探测器和欧洲金星快车的观测数据发现的。由于这两颗探测器的轨道限制，无法确定环形磁场会延续到星球夜侧多远的位置(图1左图中大片白色区域代表那里没有卫星观测)。中国火星探测计划预计2020年发射，它的轨道远地点比美国火星探测器要远。届时就可以利用中国火星探测器的磁场数据，研究环形磁场的远磁尾分布了。
来源：中国科学院地质与地球物理研究所
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