“遲到20年”的發現： 月球竟在地球大氣層中

大範圍包裹地球的地冕，阻擋了吹向地球的太陽風，防止遠紫外輻射直接到達地面，保護了地球這顆湛藍星球的水圈和生物圈。換而言之，這種帶有磁場的類地行星的冕，為保護行星表面可能存在的生命環境和生命自身提供了支持。

平勁松 中國科學院國家天文台研究員

你能想到嗎？也許月球一直在地球的“懷抱”中。

在一項研究中，研究人員分析了1996年至1998年期間在日地第一拉格朗日點3次收集的地球大氣散逸層數據，確認了地冕（地球大氣的最外層）觀測結果：地球的大氣層一直延伸到約63萬千米的高度，相當於100個地球半徑。這就意味着，月球也被包裹在地球的大氣層中。

這一結論顛覆了以往人們對於地冕範圍的認知：此前科學家估計地冕層約有9—10個地球半徑高，月球距地球大氣的最外層32—34萬千米。

2020年以來，針對新一輪太陽活動峯年的到來，該研究團隊還持續監測了太陽風及其對地冕的衝擊作用。

“對大範圍地冕的發現，進一步拓展了人類對行星大氣構成和存在的認知，也拓展了對中心恆星與行星（如太陽與地球）大氣相互作用的認知。”中國科學院國家天文台研究員平勁松向科技日報記者表示。

超乎想象 地冕高度可達100個地球半徑

地球表面包圍着的大氣被稱為大氣層，從內到外分別為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。作為散逸層的一部分，地冕位於地球大氣的最外層，一直延伸到行星際空間。

“該研究團隊近年的空間觀測發現，地冕層的高度最遠可以延伸到100個地球半徑，連月亮也不能置身其外。”平勁松指出，這一研究結論的關鍵依據，是美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）聯合研製的太陽和日光層天文台SOHO，搭載的太陽風各向異性探測器SWAN載荷記錄了太陽風和地冕氫氣的互動數據，發現在距離地表63萬千米的高度，依然存在太陽風與地球等離子體的相互作用。

他介紹道，地冕層主要散射來自太陽的遠紫外線，自身還會發出微弱的紫外光線，但是同太陽輻射相比，地冕層發出的輻射微乎其微。地冕層的形狀看起來有點像飛臨太陽附近的彗星尾巴。

從構成成分上看，地冕層與地球大氣其他層很不一樣。例如，地冕層是以氫、氦原子和離子為主要成分的低密度氣暈，而1000千米高度的地球大氣層，主要由氮、氧、二氧化碳和水等分子，以及離子組成。此外，在地球下部大氣和冕層之間，還存在等離子體層過渡帶。

“大範圍包裹地球的地冕，阻擋了吹向地球的太陽風，防止遠紫外輻射直接到達地面，保護了地球這顆湛藍星球的水圈和生物圈。換而言之，這種帶有磁場的類地行星的冕，為保護行星表面可能存在的生命環境和生命自身提供了支持。”平勁松説。

值得一提的是，對大範圍地冕的發現意義重大，更為行星科學增加了新的研究內容。“這項發現向科學家提出了全新的有待探索的疑問。例如，在行星從星子聚集坍縮成行星進而演化的過程中，星冕從何時產生、如何穩定存在？又如，類地行星的冕和氣體行星的冕，在成分、演化上有何異同？”平勁松説。

與恆星冕迥異 地冕“壽命”僅幾十天

不僅地球有冕層，太陽系中的金星、火星、水星和木星都有自己的行星冕。太陽作為一顆恆星也有自己的恆星冕，即人們熟知的日冕。

行星冕與恆星冕的區別很大。平勁松解釋道，恆星，特別是如太陽這樣年輕的恆星，在其最外層都存在一層比較厚的、很稀薄、密度極低的大氣分層，這就是恆星冕。恆星冕的厚度可達幾百萬千米以上，温度可達幾百萬攝氏度或更高，能夠完全電離其中的氫、氦原子，形成等離子體。恆星冕中主要是質子、高度電離的離子和高速的自由電子。這些帶電粒子運動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脱中心恆星的引力束縛射向外圍，形成恆星風。恆星冕中的氣體源源不斷地產生於底部的光球層，維持了恆星冕自身的存在。

“而行星冕中的離子會與恆星風質子進行電荷交換，導致其‘壽命’大約只有幾十天，這也使得行星冕的大小範圍受到限制。”平勁松強調。

由於上述區別，從天文觀測角度，行星冕更難於被觀察到，恆星冕的觀測則更加容易。平勁松稱，恆星冕不僅在光學波段有輻射，在射電波段也存在暴發輻射，因而可以在多個電磁波頻段被人類觀測到。不過，行星冕也並非神秘到不為世人所見，科學家們也曾利用多種探測器，一睹了行星冕的“芳容”。

“屏蔽”紫外波段 地冕加大天文觀測難度

地冕吸收了來自宇宙空間天體的紫外輻射，阻擋了科學家從地面或從行星空間利用電磁波的紫外、特別是中遠紫外波段，去觀測宇宙星辰的機會。

於是科學家另闢蹊徑。“在這些波段，科學家只能藉助飛行在地冕中高層或在其之外的紫外望遠鏡，如設置在日地系統的拉格朗日平動點，來規避地冕對紫外波段的吸收干擾，開展天文觀測。”平勁松表示。

在人類探測地外生命的歷程中，一項重要的任務就是尋找“第二個地球”。

通常在光學波段，天文學家是通過系外行星遮擋比其大的中心恆星的光度變化，來搜尋適宜人類居住的天體。平勁松介紹：“因為地冕的存在，科學家會在系外行星遮擋中心恆星時，在紫外波段監測與氫、氦原子密切關聯的特定波長的紫外電磁波輻射吸收，來判定地冕的存在和尺寸，進而推定系外行星被保護的狀況和其上存在生命的概率。”

除了紫外波段和光學波段，利用地冕以及類地行星冕能夠輻射數千米到數十米波長的無線電電磁暴發信號特性，科學家可以藉助非常靈敏的地面無線電裝置，通過搜尋、監測系外行星在這個波段的電磁波輻射，來尋找更多的系外類地行星候選天體。

儘管地冕的存在給天文觀測造成了一定的阻礙，但幸運的是，地冕為人類觀測其自身留下了一扇窗。

“它們會吸收太陽遠紫外波段氫和氦的電磁波輻射，受到輻射激發的氫、氦原子和離子會發出微弱的紫外輻射，從而可以被遠離地球的探測器看見。”平勁松説。

此次研究的地冕數據，就是來自於1995年發射升空的SOHO搭載的太陽風各向異性探測器SWAN。該探測器繞太陽公轉並對太陽展開研究。此外，它還能測量來自地冕的光線。令人驚訝的是，這批數據是SOHO於1996年至1998年間獲取。因而，這項最新研究發現被戲稱“遲到了二十年”。

我國嫦娥三號月球探測器於2013年底發射升空併成功降落至月球正面之後，也曾“看到”過地冕，並證實了介於電離層和磁層之間的地球“等離子體層”的存在。嫦娥三號攜帶了觀測地球外層大氣等離子體層的紫外望遠鏡，監測到了地冕隨着時間變化的“倩影”。