科學探索：首次證明地球磁層可導致月球表麵產生水

磁層中的月球（藝術效果圖），“地球風”由流動的氧離子(灰色)和氫離子(亮藍色)組成，它們可以與月球表麵反應產生水。月球75%以上的軌道都在太陽風（黃色）中度過，其餘時間都被磁層阻擋（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之前，基於太空中的極端天氣和惡劣狀況，科學家們都認為月球幹燥如沙漠。然而在阿波羅計劃之後，許多研究都發現了月球水，包括陰暗中的極地環形山裏的冰、火山岩中結合的水，以及月球土壤中意想不到的鐵鏽沉積物。盡管有這些發現，科學家們仍未確認月球表麵水的範圍和來源。
主流理論認為，太陽風推動的帶正電荷的氫離子轟擊月球表麵，自發反應生成水（以羥基（OH-）和分子（H2O）的形式）。然而，發表在《天體物理學雜誌》（Astrophysical Journal Letters）上的一項新的多國研究提出，太陽風可能不是水離子形成物質的唯一來源。研究人員發現，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星提供水。


Themis航空探測器（藝術效果圖）（圖片來源：NASA）
從火星表麵到木星衛星、土星環、彗星、小行星和冥王星，水在太空中比天文學家最初想象的要普遍得多，甚至在太陽係以外的雲層中也發現了水。以前人們認為水是在太陽係形成的過程中融入這些天體的，但越來越多的證據表明，太空中的水是動態變化的。雖然太陽風很可能是月球表麵水的來源，但計算機模型預測，在滿月的大約三天時間裏，當月球經過地球磁層內時，高緯度地區應該有多達一半的水蒸發消失。
令人驚訝的是，“錢德拉安1號 (Chandrayaan-1)”衛星的月球礦物學測繪儀 (Moon Mineralogy Mapper (M3)) 對地表羥基/水麵圖的最新分析顯示，月球地表水並沒有在這個磁層屏蔽期消失。早前研究人員認為地球的磁場阻擋了太陽風到達月球，因此水的再生速度不會快於水的消失速度，但現在他們發現情況並非如此。
研究人員通過比較磁層過境之前、期間和之後的水麵圖的時間序列，認為月球水可以通過磁層離子（也就是 "地球風"）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) 衛星的證實，而THEMIS-ARTEMIS衛星的觀測則可以用來描繪太陽風中的離子與磁層地球風內的離子的明顯特征。
此前輝夜衛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）中也發現了大量的氫離子。這些磁層粒子的組合流動與太陽風中的粒子有著本質上的不同。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造出一座可以補充月球的 "水橋"。
該研究由一個由宇宙化學、空間物理學和行星地質學等多學科專家組成的團隊進行，以對數據進行專業分析。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據是在2009年冬季和夏季獲得的，分析和解釋結果花費了過去好幾年的時間。由於觀測數據稀少，分析工作特別困難。根本原因在於數據分析需要比較相同的月球表麵條件隨時間的變化，並控製溫度和表麵成分。


THEMIS航空探測器群（藝術效果圖）（圖片來源：ATK Space）
建立在這些發現的基礎上，今後對太陽風和行星風的研究可以更全麵地揭示太陽係中水的演變情況以及太陽和磁層活動對其他衛星和行星體的潛在影響。擴大這項研究將需配備全麵的羥基/水繪圖光譜儀的新衛星。此外，衛星軌道和月球表麵上需安裝粒子傳感器，以充分證實新發現的這一機製。上述工具可以幫助預測未來在月球上進行勘探、采礦和最終定居的最佳區域。實際上，這項研究結果還可以幫助設計即將到來的空間任務，以更好地保護人類和衛星免受粒子輻射的危害，並可以改進研究空間水形成的計算機模型和實驗。
翻譯：章寧
審校：黃薇
引進來源：物理學家組織網
引進鏈接：https://phys.org/news/2021-01-evidence-lunar-surface-earth-magnetosphere.html


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