火星殼磁場的前世今生

火星，作爲距離地球最近的可殖民行星，以來一直都是各國行星探測的熱點。今年5月份，我國祝融號火星車成功着陸於火星烏托邦平原南部，祝融號上攜帶了磁強計（圖1），用來探測火星的表面磁場。那麼爲什麼人們癡迷於去火星探測磁場呢？下面簡要介紹火星殼磁場的發現歷史以及其研究意義。

圖1 祝融號火星車示意圖。兩個磁強計分別安裝在桅杆的頂部與底部。（圖片來源：Du et al., 2020.）

目前人們對火星磁場的瞭解主要來自衛星的觀測。早在1999年，美國的火星全球探測者MGS衛星在400千米高度首次提供了火星磁場的連續長時間探測。MGS衛星發現火星目前沒有如地球一樣全球性的偶極子磁場，但令人意外地發現火星擁有很強的區域性磁場，推測磁場起源於火星的岩石圈，因此稱之爲殼磁場或岩石剩磁。火星的殼磁場主要集中於南半球，強度是地球殼磁場的兩個數量級，估計在火星表面能達上千那特（圖2）。

圖2 磁場模型在120千米高度的磁場徑向分量圖。黑線爲火星表面水平高度爲零的參考線，主要隕石坑和祝融號火星車的位置也標記在圖中。（圖片來源 ：Gao et al., 2021.）

雖然火星的發電機過程已經停止，火星的殼磁場提供了火星岩石圈被古代發電機磁化的證據。通過觀察殼磁場的分佈規律，人們發現殼磁場的分佈具有南北不對稱性：南半球磁場強度較強，而在北半球磁場強度較弱。科學家們使用單半球發電機模型，南北半球的礦物含量差異，岩石圈厚度差異等理論來解釋其南北不對稱性，這些理論仍存在廣泛爭論，但其對理解火星的現狀以及演化歷史具有重要作用。

火星的殼磁場記錄了火星古代發電機的演化過程。殼磁場表明火星曾存在發電機過程，但其開始和停止時間仍不清楚。瞭解火星古代發電機的開始與停止時間對理解火星內部熱演化與古大氣環境有重要意義。科學家們發現在大撞擊坑（Hellas，Argyre）附近的殼磁場強度較弱，預示着發電機在撞擊時（大約40億年前）不處於活動狀態。但在40億年後形成的地質單元內，也觀測到了不能忽略的磁場，這意味着發電機可能在40億年後又復活了。火星發電機運行的歷史時間軸仍是一個的懸而未決的重要問題。

目前，人們對火星殼磁場仍知之甚少。主要的未知科學問題包括：產生剩磁的發電機有哪些特徵，其開始與截止時間，發電機的驅動機制；火星岩石磁場的礦物起源是什麼，哪些磁性礦物攜帶了剩磁，磁性礦物的埋藏深度如何，磁化強度有多大；是什麼磁化過程導致瞭如此強烈的殼磁場，磁場主要由熱剩磁產生嗎，化學剩磁或者衝擊剩磁在其中的貢獻如何。

介紹完火星殼磁場的研究現狀，讓我們介紹一下火星殼磁場的研究意義。理解火星殼磁場有助於闡明古代發電機的運行時間和運行機制；理解受磁場調製的火星表面過程；理解過去的火山活動與板塊運動。其中尤爲關鍵的是，火星磁場對火星離子逃逸起重要調製作用（圖3），火星發電機停止後，外部太陽風直接與火星大氣發生相互作用，加劇了火星大氣的剝蝕和逃逸，使火星成爲大氣稀薄，表面缺少水的行星。因此，火星發電機的歷史對火星氣候與宜居性演化有深遠的影響。準確的描述殼磁場有助於探究火星空間環境。如火星極光，電離層電流，磁場重聯等空間物理現象均與殼磁場有關。岩石剩磁還會影響火星輻射環境，這是未來人類登陸火星必須要考慮的。

圖3 離子流被火星殼磁場偏轉的示意圖。紅色箭頭爲離子流的方向，南半球的黑色球殼爲火星的殼磁場。（圖片來源：Fan et al., 2020.）

綜上所述，火星的殼磁場對火星適居性演化、內部結構、熱演化歷史、發電機過程以及未來人類的火星探索都有着廣泛的影響。祝融號火星車的火星表面磁場探測可以幫助人們進一步瞭解火星磁場，尤其是將首次探測火星表面小尺度的磁場結構，期待更多關於火星磁場的謎團將會在未來慢慢解開。

參考文獻：

1. Du, A. M., Zhang, Y., Li, H. Y., Qian, D. H., Yi, Z., Zhang, T. L., et al. (2020). The Chinese Mars ROVER fluxgate magnetometers. Space

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2. Gao, J. W., Rong, Z. J., Klinger, L., Li, X. Z., Liu, D., & Wei, Y. (2021). A spherical harmonic Martian crustal magnetic field model combining data sets of MAVEN and MGS. Earth and Space Science, 8, e2021EA001860. https://doi.org/10.1029/2021EA001860

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作者：高佳維、戎昭金、魏勇

來源：中國科學院地質與地球物理研究所