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类地行星中，谁能成为下一个宜居星球？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-09-06 14:07

正文

在浩瀚无垠的宇宙中，地球如一颗湛蓝的宝石，闪耀在茫茫星海之中。她不仅是我们唯一的家园，更是太阳系中唯一已知孕育生命的星球。在这片充满奇迹的星球上，生命繁衍生息，千姿百态。然而，地球为何能够成为生命的摇篮？在太阳系中，水星、金星和火星都与地球有相似的特征。比如，它们都拥有坚硬的固态岩石表面，均由高密度的金属和硅酸盐岩石组成，体积和质量也比较接近，同时位于太阳系的内侧轨道，离太阳较近。因此这些星球也被称为“类地行星”。

图一：太阳系行星（左边前四个为类地行星）

那么，这些星球能否成为适合我们人类居住的下一个“地球”呢？在寻找宜居星球的过程中，磁场是一个至关重要的因素。地球的磁场不仅保护我们免受太阳风和宇宙射线的侵袭，还在维持大气层和液态水方面起到了重要作用。今天，我们将从“磁场”的角度，带领大家探索类地行星的磁场特征，分析这些星球是否具备成为下一个宜居地球的潜力。

1. 地球的磁场：生命的守护者

地球，我们最熟悉的类地行星，是太阳系中第三颗类地行星，她也是是人类目前已知唯一存在生命的行星。

图二：地球

地球磁场的研究历史

人类对地球磁场的研究有着悠久的历史。早在公元前4世纪，中国古代学者就发现了地磁现象，并利用其制成了最早的指南针。经过数千年的发展，人类对地球磁场的起源、变化规律已经积累了丰富的资料。

图三：威廉·吉尔伯特

16世纪，英国科学家威廉·吉尔伯特在其著作《论磁石》中首次系统地研究了地球磁场的性质。18世纪，科学家们开始系统地测量地球磁场，特别是磁偏角（指南针指向与地理北极的夹角）。法国科学家亨利·德·布古斯和英国科学家詹姆斯·库克进行了早期的全球地磁测量。19世纪，科学家发现了地磁风暴现象，并提出地磁风暴与太阳活动有关的理论。高斯与威廉·爱德华·韦伯合作，开发了高斯-韦伯磁力计，并建立了第一个地磁观测网络。这些观测数据使科学家能够绘制全球地磁图，揭示地磁场的全球分布和变化。

图四：地磁偏角

20世纪以来，科学家对地球磁场的研究迎来了众多突破，如提出了地球磁场起源的发电机理论，发现地球磁场曾多次倒转。如今，科学家们利用卫星在全球范围内进行高精度的地磁观测，从而更深入地了解地球磁场的动态变化。

地球磁场的特征

地球磁场总体而言是偶极型的，近似于把一个磁铁棒放到地球中心，使它的N极大体上对着南极而产生的磁场形状。当然，地球中心并没有磁铁棒，而是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。

图五：地球磁场

地球磁场并非孤立存在，它受到外界扰动的影响。宇宙飞船已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是电离氢和电离氦。太阳风是一种等离子体，一般认为其冻结在磁场中，太阳风磁场对地球磁场施加作用，似乎要把地球磁场从地球上吹走。然而，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，形成了一个被太阳风包围的彗星状的地球磁场区域，这就是磁层。

图六：磁层

地球磁层位于地面600～1000公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面5～7万公里。在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，称为中性片。在中性片两边，磁力线反向，中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有1000公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。

地球磁场的形成原因

地球内部主要由三个层次构成：地壳、地幔和地核。地核又分为外核和内核。外核是液态的，主要由铁和镍组成，而内核则是固态的，也主要由铁和镍构成。

图七：地球内部组成

地球磁场的产生主要与外核的运动有关。地球内部的高温使得外核的液态铁镍合金产生热对流，即热的物质上升，冷的物质下降。由于地球自转，科里奥利力使得这些对流运动变得复杂，并在地球的旋转方向上发生偏转。运动的液态铁和镍是导电的，这些导电的流体在运动过程中切割磁力线，产生电流。这些电流又进一步产生磁场。这一现象被称为地磁发电机理论。

图八：地球地磁发电机示意图

地球磁场的作用

地球磁场在保护地球环境和生命方面起到了至关重要的作用：其一，地球磁场可以防御太阳风。太阳风是一种来自太阳的高能带电粒子流。如果没有地球磁场的保护，这些粒子将直接撞击地球大气层，导致大气层被剥离。地球磁场通过偏转太阳风粒子，保护了大气层的稳定性。

图九：太阳风

其二，地球磁场减少宇宙射线辐射。宇宙射线是来自宇宙深处的高能粒子，对生物体有很强的辐射作用。地球磁场能有效减少这些宇宙射线到达地表的数量，从而保护生物免受辐射伤害。其三，生物能够利用地球磁场导航。许多生物，如候鸟、海龟和某些鱼类，依靠地球磁场进行导航。这些生物体内含有磁感受器，可以感知地球磁场的方向和强度，从而找到回家的路。

图十：生物利用地磁导航

因此，地球磁场不仅保护了地球的大气层和水资源，使地球成为适宜人类生存的星球，还为我们提供了安全的环境，保障了生物的正常生活和繁衍。可以说，没有地球磁场就没有地球上生物的繁衍生息。

2. 水星：脆弱的磁场

与地球相比，水星的磁场表现出显著的差异。水星是离太阳最近的行星，拥有一个微弱但顽强的磁场。尽管无法与地球相媲美，但却是水星在太阳强烈辐射下的一道微薄保护层。水星的磁场究竟是如何形成的？

图十一：水星

水星磁场的特征

水星表面的磁场强度约为300纳特斯拉（nT），大约是地球表面磁场强度的1%。水星的磁场基本上是偶极的，即具有类似于棒状磁铁的北极和南极，但其磁场略有倾斜，磁北极和磁南极并不完全位于地理北极和南极上。水星的磁场在南半球比北半球要弱，这表明其内核和磁场的生成机制可能存在不对称性。水星的磁层特征与地球相似，但由于水星距离太阳非常近，其磁层比地球的要小得多，并且更加压缩。水星磁层的半径大约是水星半径的1.5倍，而地球磁层的半径约为地球半径的10倍。

图十二：水星磁层

水星磁场的起源

水星磁场的起源类似于地球，主要归因于其内核的发电机效应：水星内部也有一个液态的外核，主要由铁和镍组成。尽管水星比地球小得多，但其内核仍然足够大和活跃，能够通过对流运动产生电流。

水星磁场的作用

水星的磁场在保护其表面免受太阳风侵袭方面有一定作用，但由于其磁场较弱，水星的大气层非常稀薄，几乎不存在。这意味着水星的表面环境非常极端，白天温度极高，夜晚温度极低。

尽管水星的磁场较弱，但它仍然在一定程度上保护了水星免受太阳风的直接侵袭。比如：水星磁场能够偏转部分太阳风粒子，使它们绕过水星表面。这有助于减少表面物质被太阳风直接剥离的风险。

总的来说，水星的磁场虽然微弱，但仍在一定程度上起到了保护作用。然而，水星表面的极端环境使得其难以成为宜居星球。

3. 金星：失落的磁场

金星作为地球的“姊妹行星”，拥有与地球相似的大小和质量。然而，金星却几乎没有全球性的磁场，这一特征使得金星在宜居性方面与地球存在巨大差异。金星为何没有全球性的磁场？这一现象又对金星的环境和宜居性产生了怎样的影响？

图十三：金星

金星磁场的特征

金星几乎没有全球性的磁场，这与地球和水星形成了鲜明对比。尽管金星内部结构与地球类似，拥有液态外核和固态内核，但金星的磁场却非常微弱，几乎可以忽略不计。这意味着金星无法形成像地球那样的磁层来保护其表面。

金星没有全球性磁场的原因

金星缺乏全球性磁场的主要原因可能包括以下几个方面：

自转速度缓慢：金星的自转周期非常长，约为243个地球日。这意味着金星自转速度极其缓慢，导致其内核的对流运动较弱，无法产生足够强的电流来形成全球性的磁场。
内部热源不足：金星内部的热源可能不足以维持足够强的对流运动。尽管金星内部也有放射性元素衰变产生的热量，但其产生的对流运动可能不足以驱动强大的发电机效应。
地质活动减少：金星表面几乎没有板块构造运动，这表明其内部地质活动相对较少。地质活动的减少可能导致金星内部的热量分布不均，进一步削弱了内核的对流运动。

缺少磁场对金星环境的影响

由于金星缺乏全球性的磁场，其表面环境受到了严重的影响：

大气层流失：没有磁场的保护，金星的大气层长期受到太阳风的侵袭，可能导致大气层逐渐流失。尽管金星凭借强大的引力，目前仍拥有大气层，但其成分主要是二氧化碳，且表面温度极高，达到了约460摄氏度。
极端气候：金星表面温度极高，且大气压力是地球的90倍，这些极端气候使得金星表面环境非常恶劣，不适合生命存在。
高能粒子辐射：没有磁场的保护，金星表面受到更多来自太阳和宇宙的高能粒子辐射，对生物体来说是极其危险的。

总的来说，金星缺乏全球性的磁场，使其环境极其恶劣，难以成为宜居星球。

4. 火星：磁场的遗迹

火星是太阳系中最引人注目的行星之一，被认为是最有可能具备宜居潜力的星球之一。然而，火星的磁场却与地球大不相同。火星曾经拥有强大的磁场，但如今只剩下磁场的遗迹。火星的磁场为何会消失？这一变化对火星的环境和宜居性产生了怎样的影响？

图十四：火星

火星磁场的特征

火星目前没有全球性的磁场，但其表面存在局部的磁场遗迹。这些磁场主要集中在火星南半球的一些古老地壳区域，表现为强烈的磁异常，大约为22纳特斯拉（nT），但较年轻的北部低地的剩余磁化强度要弱得多或为零。这表明火星曾经拥有一个强大的全球性磁场，但由于某些原因，这一磁场在数十亿年前消失了。

图十五：火星剩磁

火星磁场消失的原因

火星磁场消失的原因可能包括以下几个方面：

1. 内核冷却：火星比地球小得多，其内部冷却速度较快。随着时间的推移，火星的内核逐渐冷却，导致液态外核的对流运动减弱，最终使得发电机效应无法维持全球性的磁场。

2. 行星地质活动减少：火星地质活动逐渐减少，内部热量分布不均，进一步削弱了内核的对流运动。这导致火星无法维持强大的全球性磁场。

火星磁场消失的影响

大气层流失：火星磁场的消失使得其大气层长期受到太阳风的侵袭，导致大气层逐渐流失。如今，火星的大气层非常稀薄，主要由二氧化碳组成，表面气压仅为地球的1%。
表面环境恶劣：由于大气层稀薄，火星表面温度波动较大，白天温度可达20摄氏度，而夜晚温度则可降至-70摄氏度。这样的环境对生命存在非常不利。
高能粒子辐射：没有磁场的保护，火星表面受到更多来自太阳和宇宙的高能粒子辐射，对潜在的生命形成了巨大威胁。

尽管火星目前环境恶劣，且仅从磁场的角度来看，失去了磁场的火星，在大气层、表面环境和抵御高能粒子辐射方面均比地球恶劣很多。但其曾经拥有的磁场和表面存在的水资源，依然使其成为探索宜居星球的一个重要目标。科学家比较相信，在未来，随着科技的进步，我们或许能够找到在火星上建立宜居环境的方法。

结语

通过对类地行星磁场的分析，我们可以看到，每个行星的磁场特征各有千秋。水星虽然拥有磁场，但其强度和保护能力远不及地球；金星由于自转缓慢和内部热源不足，几乎没有全球性的磁场；火星的磁斑则是其曾经拥有强大磁场的遗迹。与这些行星相比，地球的磁场不仅强大且稳定，正是这种独特的磁场保护，地球能够诞生繁荣生命的关键因素。未来，我们在探索宇宙寻找宜居星球的过程中，磁场将继续作为一个重要的评判标准。

来源：石头科普工作室

编辑：阿泊

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