地球磁場“罩不住”月球？ 安全探月還需摸清太陽風動向

近日，山東大學空間科學團隊聯合國內外科研人員發現了月球暴露於太陽輻射的新模式——月球在滿月期間可能會脱離地球磁場的保護，暴露於高能太陽粒子的輻射風險之中。相關論文刊登在《地球物理研究·空間物理》上。

“地球磁尾的搖擺是太陽風和地球磁層相互作用產生的現象。由於這種搖擺影響到月球的空間環境，這項研究將有助於人們瞭解長時間進行登月作業時，可能面臨着哪些不同的空間天氣。”論文通訊作者、山東大學空間科學與物理學院教授史全岐對科技日報記者説，過去認為地球磁層偏轉的現象主要發生在距離地球很遠的地方，此次是首次發現這種偏轉發生在月球軌道上。

高能粒子影響探月活動

一輪滿月，皓明如鏡，人間歲月靜好。然而，由於太陽風不停歇地吹向行星際空間，間或伴隨着太陽爆發，沒有大氣層的月球表面遠非“靜好”，甚至飽受高能粒子輻射的“轟擊”。

這樣的“轟擊”會給登月帶來哪些影響呢？

“對於探月，最危險的是高能粒子對設備材料和器件的影響。”史全岐説。高能粒子的轟擊會對電子設備和衞星材料造成不同程度的損壞，如導致儀器噪聲增加、傳感器讀數錯誤、太陽能電池板退化等。圍繞月球軌道運行的衞星也可能會被帶電粒子影響，並隨着時間的推移而累積，導致設備提早“退役”。另外，人類如果較長時間暴露在超過安全標準的輻射劑量下, 人體細胞會發生癌變。所以對於在月表作業的航天員來講，過量的輻射會影響到身體健康，甚至危及生命。

此前有研究表明，當太陽風質子與月球土壤發生反應時會產生水，因此瞭解太陽輻射對於月球表面的作用規律，也有助於更好地瞭解水在月球表面的沉積位置和方式，以供月球作業的日常消耗，並作為航天器燃料的來源。

當月球公轉到遠離太陽的一側時，地球磁場會對其產生一定的保護作用。有研究顯示，地球磁場在夜晚面可以被拉得很長，形成磁尾，從而偏轉太陽風中的高能粒子，給月球罩上“保護罩”。

也就是説，在月球公轉週期的四分之三時間裏，太陽風中的質子、電子等會直達月球表面，猶如“暴風驟雨”襲擊月表；在剩餘的四分之一時間裏，月球會進入地球的磁保護傘——磁層中。

此前觀測和模擬工作已表明，由於地球磁層的保護，運行在月球軌道上的航天器和在月面上活動的航天員會在滿月期間相對安全一些。

如此看來，如果空間天氣能像地球一樣四季分明，那人類在月球上的活動將有很明確的“安全期”。然而史全岐團隊研究發現，事實並非如此，此前認為的“安全期”也可能存在很大的風險。

太陽風導致“保護傘”搖擺

2012年3月8日，一道行星際激波襲向月球，阿爾忒彌斯月球軌道探測器正在附近運行，它裝載的磁強計探測到空間中衞星所在位置的等離子體速度以及磁場的大小和方向，並將數據傳回地球。

研究人員發現行星際激波通過後，太陽風發生了大幅度轉向，導致磁層在月球軌道處產生大幅度的偏轉：磁尾就像被風吹拂的“風向袋”一樣搖擺。

這樣的搖擺導致月球的空間天氣“大變臉”：處於滿月期間的月球直接暴露於地球磁鞘（被加熱和壓縮的太陽風）之中。如果此時月表上有探測活動，而宇航員和基地設施沒有得到有效保護，即便有着地球磁層的保護，他們仍然有可能被太陽高能粒子襲擊。就像在狂風暴雨中，人即使站在傘下，仍然會被雨水淋到。

山東大學史全岐團隊與國家空間科學中心副研究員唐斌斌共同合作，在空間天氣國家重點實驗室開放課題的支持下，通過觀測和模擬，對月球空間天氣的“變臉”原因進行更細緻的探索。

唐斌斌介紹，模擬的一個好處，是可以對地月空間的磁場和等離子活動進行整體再現，克服了衞星只能觀測一兩個點的侷限性；另一方面，通過模擬，除了可以再現觀測的情況外，還可以通過改變不同的輸入條件，去試驗在眾多複雜的因素裏，到底哪個因素占主導地位，相當於可以做很多次數值實驗。

“因為不清楚在地球磁層偏轉現象中，到底是傾斜的激波還是傾斜的太陽風起主導作用，我們就通過改變輸入條件做了多次模擬。例如，在一次模擬裏面，我們讓行星際激波正面衝擊地球，僅僅讓太陽風的方向發生突變，結果發現磁層可以發生同樣的偏轉。”史全岐説，太陽風本身的轉向就能促成地球磁場偏轉，意味着這種偏轉情況發生的頻率可能會比原來想象的還要高，因為滿足偏轉條件的太陽風出現的概率，比行星際激波出現的概率要高得多。

“我們也用另一種模型進行了結果的驗證。兩種不同的全球磁流體模擬結果都表明，月球位置上的磁尾偏轉主要受太陽風的控制，時間尺度約為半小時。”史全岐表示。

新發現有助月球空間天氣預報

如果地球“罩不住”月球的現象有規律可循，那麼月球空間天氣將有望做到預報預警。

史全岐解釋説：“基礎理論研究將根據數據的觀測和數值模擬結果構建模型。未來可以通過距離太陽更近的衞星去監測這種偏轉。一旦偏轉現象發生，就可以馬上把信號傳遞到地面，人們就能經過模型分析，預測它到達月球后會使磁層偏轉到什麼程度。如果偏轉得很厲害，就可以提前幾十分鐘進行預警，通知關閉月球上的設施敏感儀器，並讓宇航員馬上躲到掩蔽設施中去。”

“我們期待這一發現能夠在將來幫助改進月球輻射環境的動態模型，為月球上的各類活動提供一個安全緩衝期。”史全岐進一步表示。

“空間天氣的預警預報很像地球上的天氣預報，不同的是觀測對象，空間天氣需要追蹤太陽風、粒子風暴和行星際電磁場等因素對空間造成的影響。”史全岐説，山東大學目前已經建立了月球輻射探測實驗室，除了進一步分析我國嫦娥四號探測器傳回的月球空間環境數據之外，還將發展一些自主探測手段，希望將相關空間天氣的活動規律研究得更加清楚。