科學(xué)探索：首次證明地球磁層可導(dǎo)致月球表面產(chǎn)生水

磁層中的月球（藝術(shù)效果圖），“地球風(fēng)”由流動的氧離子(灰色)和氫離子(亮藍(lán)色)組成，它們可以與月球表面反應(yīng)產(chǎn)生水。月球75%以上的軌道都在太陽風(fēng)（黃色）中度過，其余時間都被磁層阻擋（圖片來源：E. Masongsong, UCLA EPSS, NASA GSFC SVS）
在美國實施阿波羅載人登月任務(wù)之前，基于太空中的極端天氣和惡劣狀況，科學(xué)家們都認(rèn)為月球干燥如沙漠。然而在阿波羅計劃之后，許多研究都發(fā)現(xiàn)了月球水，包括陰暗中的極地環(huán)形山里的冰、火山巖中結(jié)合的水，以及月球土壤中意想不到的鐵銹沉積物。盡管有這些發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們?nèi)晕创_認(rèn)月球表面水的范圍和來源。
主流理論認(rèn)為，太陽風(fēng)推動的帶正電荷的氫離子轟擊月球表面，自發(fā)反應(yīng)生成水（以羥基（OH-）和分子（H2O）的形式）。然而，發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（Astrophysical Journal Letters）上的一項新的多國研究提出，太陽風(fēng)可能不是水離子形成物質(zhì)的唯一來源。研究人員發(fā)現(xiàn)，來自地球的粒子也可以給月球播種水。這意味著其他行星也可以為其衛(wèi)星提供水。


Themis航空探測器（藝術(shù)效果圖）（圖片來源：NASA）
從火星表面到木星衛(wèi)星、土星環(huán)、彗星、小行星和冥王星，水在太空中比天文學(xué)家最初想象的要普遍得多，甚至在太陽系以外的云層中也發(fā)現(xiàn)了水。以前人們認(rèn)為水是在太陽系形成的過程中融入這些天體的，但越來越多的證據(jù)表明，太空中的水是動態(tài)變化的。雖然太陽風(fēng)很可能是月球表面水的來源，但計算機模型預(yù)測，在滿月的大約三天時間里，當(dāng)月球經(jīng)過地球磁層內(nèi)時，高緯度地區(qū)應(yīng)該有多達(dá)一半的水蒸發(fā)消失。
令人驚訝的是，“錢德拉安1號 (Chandrayaan-1)”衛(wèi)星的月球礦物學(xué)測繪儀 (Moon Mineralogy Mapper (M3)) 對地表羥基/水面圖的最新分析顯示，月球地表水并沒有在這個磁層屏蔽期消失。早前研究人員認(rèn)為地球的磁場阻擋了太陽風(fēng)到達(dá)月球，因此水的再生速度不會快于水的消失速度，但現(xiàn)在他們發(fā)現(xiàn)情況并非如此。
研究人員通過比較磁層過境之前、期間和之后的水面圖的時間序列，認(rèn)為月球水可以通過磁層離子（也就是 "地球風(fēng)"）的流動得到補充。這些來自地球的離子在月球附近的存在得到了輝夜 (Kaguya) 衛(wèi)星的證實，而THEMIS-ARTEMIS衛(wèi)星的觀測則可以用來描繪太陽風(fēng)中的離子與磁層地球風(fēng)內(nèi)的離子的明顯特征。
此前輝夜衛(wèi)星在滿月期間觀測到了高濃度的氧同位素，這些氧同位素從地球的臭氧層中泄露出來，嵌入月球土壤中，同時在地球的巨大的延伸大氣層（即外大氣層）中也發(fā)現(xiàn)了大量的氫離子。這些磁層粒子的組合流動與太陽風(fēng)中的粒子有著本質(zhì)上的不同。因此，這項研究中最新探測到的地表水駁斥了磁層屏蔽假說，反而表明磁層本身就能創(chuàng)造出一座可以補充月球的 "水橋"。
該研究由一個由宇宙化學(xué)、空間物理學(xué)和行星地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科專家組成的團(tuán)隊進(jìn)行，以對數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)分析。之前對地表水的解釋沒有考慮地球離子的影響，也沒有研究地表水如何隨時間變化。磁層滿月期間僅有的地表圖和粒子數(shù)據(jù)是在2009年冬季和夏季獲得的，分析和解釋結(jié)果花費了過去好幾年的時間。由于觀測數(shù)據(jù)稀少，分析工作特別困難。根本原因在于數(shù)據(jù)分析需要比較相同的月球表面條件隨時間的變化，并控制溫度和表面成分。


THEMIS航空探測器群（藝術(shù)效果圖）（圖片來源：ATK Space）
建立在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，今后對太陽風(fēng)和行星風(fēng)的研究可以更全面地揭示太陽系中水的演變情況以及太陽和磁層活動對其他衛(wèi)星和行星體的潛在影響。擴大這項研究將需配備全面的羥基/水繪圖光譜儀的新衛(wèi)星。此外，衛(wèi)星軌道和月球表面上需安裝粒子傳感器，以充分證實新發(fā)現(xiàn)的這一機制。上述工具可以幫助預(yù)測未來在月球上進(jìn)行勘探、采礦和最終定居的最佳區(qū)域。實際上，這項研究結(jié)果還可以幫助設(shè)計即將到來的空間任務(wù)，以更好地保護(hù)人類和衛(wèi)星免受粒子輻射的危害，并可以改進(jìn)研究空間水形成的計算機模型和實驗。
翻譯：章寧
審校：黃薇
引進(jìn)來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
引進(jìn)鏈接：https://phys.org/news/2021-01-evidence-lunar-surface-earth-magnetosphere.html


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