火星壳磁场的前世今生

　　火星，作为距离地球最近的可殖民行星，以来一直都是各国行星探测的热点。今年5月份，我国祝融号火星车成功着陆于火星乌托邦平原南部，祝融号上携带了磁强计（图1），用来探测火星的表面磁场。那么为什么人们痴迷于去火星探测磁场呢？下面简要介绍火星壳磁场的发现历史以及其研究意义。
　　图1祝融号火星车示意图。两个磁强计分别安装在桅杆的顶部与底部。（图片来源：Duetal。，2020。）
　　目前人们对火星磁场的了解主要来自卫星的观测。早在1999年，美国的火星全球探测者MGS卫星在400千米高度首次提供了火星磁场的连续长时间探测。MGS卫星发现火星目前没有如地球一样全球性的偶极子磁场，但令人意外地发现火星拥有很强的区域性磁场，推测磁场起源于火星的岩石圈，因此称之为壳磁场或岩石剩磁。火星的壳磁场主要集中于南半球，强度是地球壳磁场的两个数量级，估计在火星表面能达上千那特（图2）。
　　图2磁场模型在120千米高度的磁场径向分量图。黑线为火星表面水平高度为零的参考线，主要陨石坑和祝融号火星车的位置也标记在图中。（图片来源：Gaoetal。，2021。）
　　虽然火星的发电机过程已经停止，火星的壳磁场提供了火星岩石圈被古代发电机磁化的证据。通过观察壳磁场的分布规律，人们发现壳磁场的分布具有南北不对称性：南半球磁场强度较强，而在北半球磁场强度较弱。科学家们使用单半球发电机模型，南北半球的矿物含量差异，岩石圈厚度差异等理论来解释其南北不对称性，这些理论仍存在广泛争论，但其对理解火星的现状以及演化历史具有重要作用。
　　火星的壳磁场记录了火星古代发电机的演化过程。壳磁场表明火星曾存在发电机过程，但其开始和停止时间仍不清楚。了解火星古代发电机的开始与停止时间对理解火星内部热演化与古大气环境有重要意义。科学家们发现在大撞击坑（Hellas，Argyre）附近的壳磁场强度较弱，预示着发电机在撞击时（大约40亿年前）不处于活动状态。但在40亿年后形成的地质单元内，也观测到了不能忽略的磁场，这意味着发电机可能在40亿年后又复活了。火星发电机运行的历史时间轴仍是一个的悬而未决的重要问题。
　　目前，人们对火星壳磁场仍知之甚少。主要的未知科学问题包括：产生剩磁的发电机有哪些特征，其开始与截止时间，发电机的驱动机制；火星岩石磁场的矿物起源是什么，哪些磁性矿物携带了剩磁，磁性矿物的埋藏深度如何，磁化强度有多大；是什么磁化过程导致了如此强烈的壳磁场，磁场主要由热剩磁产生吗，化学剩磁或者冲击剩磁在其中的贡献如何。
　　介绍完火星壳磁场的研究现状，让我们介绍一下火星壳磁场的研究意义。理解火星壳磁场有助于阐明古代发电机的运行时间和运行机制；理解受磁场调制的火星表面过程；理解过去的火山活动与板块运动。其中尤为关键的是，火星磁场对火星离子逃逸起重要调制作用（图3），火星发电机停止后，外部太阳风直接与火星大气发生相互作用，加剧了火星大气的剥蚀和逃逸，使火星成为大气稀薄，表面缺少水的行星。因此，火星发电机的历史对火星气候与宜居性演化有深远的影响。准确的描述壳磁场有助于探究火星空间环境。如火星极光，电离层电流，磁场重联等空间物理现象均与壳磁场有关。岩石剩磁还会影响火星辐射环境，这是未来人类登陆火星必须要考虑的。
　　图3离子流被火星壳磁场偏转的示意图。红色箭头为离子流的方向，南半球的黑色球壳为火星的壳磁场。（图片来源：Fanetal。，2020。）
　　综上所述，火星的壳磁场对火星适居性演化、内部结构、热演化历史、发电机过程以及未来人类的火星探索都有着广泛的影响。祝融号火星车的火星表面磁场探测可以帮助人们进一步了解火星磁场，尤其是将首次探测火星表面小尺度的磁场结构，期待更多关于火星磁场的谜团将会在未来慢慢解开。
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　　作者：高佳维、戎昭金、魏勇