在火星上如何不迷路？指北針有用不
指南針是中國古代的四大發明之一，代表了中華民族對世界的科技貢獻。如果迷路了，我們可以隨時拿出指南針找到方向。這是在地球上，如果有一天人類移居到其他星球，還能靠指南針找到方向嗎？
那得看是到哪個星球了。指南針之所以能指南，關鍵在於一根小小的磁針。而磁針之所以能指向特定的方向，是因為地球有偶極磁場。地球周圍的磁場接近一個地心磁偶極子產生的磁場，它的磁南極大致指向地理北極，所以地球上的磁針總是指明南北方向。
太陽系八大行星中，大多數行星和地球一樣都有全球偶極磁場，可用磁針導航。但地球的左鄰右舍——金星和火星，這兩顆人類最容易到達的行星卻偏偏沒有明顯的全球偶極磁場，無法使用磁針導航。
不過，最近的研究顯示可能也不盡然。火星和金星雖然沒有來自星球內部的偶極磁場，但它們有與外界太陽風作用感應產生的感應磁場。之前認為感應磁場的方向隨太陽風磁場實時變化，所以不能用磁針來確定方向。但是，最近發現了一種方向位置都固定的感應磁場。中科院地質與地球物理研究所的柴立暉副研究員和合作者發現，火星和金星的夜晚一側存在一個逆時針環繞磁尾（沿日-星連線）的全球性環形感應磁場（圖1）。與地球磁場固定在星球上的情況不同，火星和金星這種環形感應磁場是近似固定在太陽和行星的連線上的。
圖1.火星（左）和金星（中）的環形磁場Bφ的觀測結果和示意圖（右）。
也就是說如果知道大致時間和地區，用一個高精度、可測量平均場的磁針，就可辨別方向。比如，在火星北極地區生活的人會發現晚上磁針經常指向西、南極地區指向東、赤道地區的早上指向北、黃昏指向南。金星由於逆向自傳，太陽從西邊升起，所以赤道地區早晚磁針方向與火星相反，其他和火星一樣。
當然，由於這種環形磁場比較弱，而且火星表面還有岩石剩磁干擾，做導航可能還有很多局限。現在，科學家需要弄明白這種環形磁場從何而來？為什麼總是逆時針環繞？還有哪些星體有？
環形磁場從何而來？
太陽在不間斷的向外噴射高速的帶電粒子，稱太陽風。當太陽風吹過各個星體時，會與它們發生不同的相互作用。
如果將太陽風比作水流、火星和金星比作水中的大石頭，那麼太陽風中的磁場就是水草。當水流過石頭時，水草會掛在石頭上。這種掛在火星和金星上的磁場就是「感應磁層」。感應磁層不僅在火星和金星有，土衛六、靠近太陽的彗星等星體上也有。它是無強內稟磁場但有導體結構（如電離大氣、含鹽海洋、鐵質內核）的星體的共有現象。
然而現實比這複雜。只有在大尺度上，才能把太陽風當做整體水流來理解。如果整體尺度比較小、或太陽風單個粒子的粒子特徵尺度比較大時，就要考慮單個粒子效應。當太陽風攜帶磁場吹過火星和金星時，行星頂部大氣的氧離子迴旋半徑可達幾個星球半徑那麼大。衛星觀測已證實大量火星氧離子會向太陽風 E電場方向飛去。
研究人員通過分析觀測數據發現，太陽風的氫離子會向-E方向環繞磁尾運行，這是由於動量守恆造成的。也就是說，像水草一樣掛在星球上的磁場會被-E向的太陽風帶著一起環繞磁尾向發生偏轉，這時從星球夜側望去，就形成了衛星觀測到的逆時針環繞磁尾的環形磁場（圖2）。
圖2.火星周圍的磁場結構和等離子體運動。灰色圓球代表火星，紅色粗箭頭代表火星大氣氧離子向 E方向的運動，藍色粗箭頭代表火星周圍太陽風離子環繞磁尾向-E方向的運動，彩色曲線代表火星周圍被太陽風掰彎的磁場結構。
為什麼是逆時針？
自然界中，帶正電的離子質量大，使其迴旋半徑大，而帶負電的電子質量很小，使其迴旋半徑經常忽略不計。所以火星和金星空間環境中的單粒子效應更多是離子的，而不是電子的。火星和金星頂部大氣的氧離子，由於質量大帶正電，與太陽風作用時向 E方向飛去，最終形成了逆時針的環形磁場。
如果有平行宇宙，裡面離子帶負電、電子帶正電，那麼環形磁場就是順時針了。即：環形磁場總是逆時針，是由於自然界中正負電荷的質量不對稱造成的，即帶正電的離子質量大，帶負電的電子質量小。
還有哪些星體有環形磁場？
火星和金星都有環形磁場。而火星和金星的共性就是都有電離大氣、都沒有全球性偶極磁場。太陽系中像這樣的星體還有土衛六、靠近太陽的彗星等。研究人員在美國旅行者號（Voyage）對土衛六的觀測中和歐洲羅塞塔號（Rosetta）對彗星67P/C-G的觀測中找到了環形磁場的觀測證據（圖3）。因此，有電離大氣無偶極磁場的星體都應該有環形磁場。
圖3. 金星、火星、土衛六和彗星67P/C-G上都觀測到了環形磁場現象（紅色圓弧代表環形磁場結構，直線箭頭代表觀測到的磁場）。
環形磁場是通過分析美國火星探測器和歐洲金星快車的觀測數據發現的。由於這兩顆探測器的軌道限制，無法確定環形磁場會延續到星球夜側多遠的位置（圖1左圖中大片白色區域代表那裡沒有衛星觀測）。中國火星探測計劃預計2020年發射，它的軌道遠地點比美國火星探測器要遠。屆時就可以利用中國火星探測器的磁場數據，研究環形磁場的遠磁尾分布了。
來源：中國科學院地質與地球物理研究所
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