地球磁場“罩不住”月球？ 安全探月還需摸清太陽風(fēng)動(dòng)向

隨著“天問一號(hào)”的成功發(fā)射，中國探測火星的征程正式啟動(dòng)，引發(fā)了網(wǎng)友的熱烈討論，其中一個(gè)經(jīng)久不衰的話題便是移民火星。然而除了地球外，人類真正踏足過的天體，只有月球一個(gè)。

相較于火星，月球似乎更加觸手可及。

近日，山東大學(xué)空間科學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外科研人員發(fā)現(xiàn)了月球暴露于太陽輻射的新模式——月球在滿月期間可能會(huì)脫離地球磁場的保護(hù)，暴露于高能太陽粒子的輻射風(fēng)險(xiǎn)之中。相關(guān)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(fēng)和地球磁層相互作用產(chǎn)生的現(xiàn)象。由于這種搖擺影響到月球的空間環(huán)境，這項(xiàng)研究將有助于人們了解長時(shí)間進(jìn)行登月作業(yè)時(shí)，可能面臨著哪些不同的空間天氣?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⑸綎|大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院教授史全岐對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說，過去認(rèn)為地球磁層偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象主要發(fā)生在距離地球很遠(yuǎn)的地方，此次是首次發(fā)現(xiàn)這種偏轉(zhuǎn)發(fā)生在月球軌道上。

高能粒子影響探月活動(dòng)

一輪滿月，皓明如鏡，人間歲月靜好。然而，由于太陽風(fēng)不停歇地吹向行星際空間，間或伴隨著太陽爆發(fā)，沒有大氣層的月球表面遠(yuǎn)非“靜好”，甚至飽受高能粒子輻射的“轟擊”。

這樣的“轟擊”會(huì)給登月帶來哪些影響呢？

“對(duì)于探月，最危險(xiǎn)的是高能粒子對(duì)設(shè)備材料和器件的影響。”史全岐說。高能粒子的轟擊會(huì)對(duì)電子設(shè)備和衛(wèi)星材料造成不同程度的損壞，如導(dǎo)致儀器噪聲增加、傳感器讀數(shù)錯(cuò)誤、太陽能電池板退化等。圍繞月球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星也可能會(huì)被帶電粒子影響，并隨著時(shí)間的推移而累積，導(dǎo)致設(shè)備提早“退役”。另外，人類如果較長時(shí)間暴露在超過安全標(biāo)準(zhǔn)的輻射劑量下, 人體細(xì)胞會(huì)發(fā)生癌變。所以對(duì)于在月表作業(yè)的航天員來講，過量的輻射會(huì)影響到身體健康，甚至危及生命。

此前有研究表明，當(dāng)太陽風(fēng)質(zhì)子與月球土壤發(fā)生反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生水，因此了解太陽輻射對(duì)于月球表面的作用規(guī)律，也有助于更好地了解水在月球表面的沉積位置和方式，以供月球作業(yè)的日常消耗，并作為航天器燃料的來源。

當(dāng)月球公轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離太陽的一側(cè)時(shí)，地球磁場會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的保護(hù)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(zhuǎn)太陽風(fēng)中的高能粒子，給月球罩上“保護(hù)罩”。

也就是說，在月球公轉(zhuǎn)周期的四分之三時(shí)間里，太陽風(fēng)中的質(zhì)子、電子等會(huì)直達(dá)月球表面，猶如“暴風(fēng)驟雨”襲擊月表；在剩余的四分之一時(shí)間里，月球會(huì)進(jìn)入地球的磁保護(hù)傘——磁層中。

此前觀測和模擬工作已表明，由于地球磁層的保護(hù)，運(yùn)行在月球軌道上的航天器和在月面上活動(dòng)的航天員會(huì)在滿月期間相對(duì)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(dòng)將有很明確的“安全期”。然而史全岐團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，事實(shí)并非如此，此前認(rèn)為的“安全期”也可能存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。

太陽風(fēng)導(dǎo)致“保護(hù)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(yùn)行，它裝載的磁強(qiáng)計(jì)探測到空間中衛(wèi)星所在位置的等離子體速度以及磁場的大小和方向，并將數(shù)據(jù)傳回地球。

研究人員發(fā)現(xiàn)行星際激波通過后，太陽風(fēng)發(fā)生了大幅度轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致磁層在月球軌道處產(chǎn)生大幅度的偏轉(zhuǎn)：磁尾就像被風(fēng)吹拂的“風(fēng)向袋”一樣搖擺。

這樣的搖擺導(dǎo)致月球的空間天氣“大變臉”：處于滿月期間的月球直接暴露于地球磁鞘（被加熱和壓縮的太陽風(fēng)）之中。如果此時(shí)月表上有探測活動(dòng)，而宇航員和基地設(shè)施沒有得到有效保護(hù)，即便有著地球磁層的保護(hù)，他們?nèi)匀挥锌赡鼙惶柛吣芰Ｗ右u擊。就像在狂風(fēng)暴雨中，人即使站在傘下，仍然會(huì)被雨水淋到。

山東大學(xué)史全岐團(tuán)隊(duì)與國家空間科學(xué)中心副研究員唐斌斌共同合作，在空間天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持下，通過觀測和模擬，對(duì)月球空間天氣的“變臉”原因進(jìn)行更細(xì)致的探索。

唐斌斌介紹，模擬的一個(gè)好處，是可以對(duì)地月空間的磁場和等離子活動(dòng)進(jìn)行整體再現(xiàn)，克服了衛(wèi)星只能觀測一兩個(gè)點(diǎn)的局限性；另一方面，通過模擬，除了可以再現(xiàn)觀測的情況外，還可以通過改變不同的輸入條件，去試驗(yàn)在眾多復(fù)雜的因素里，到底哪個(gè)因素占主導(dǎo)地位，相當(dāng)于可以做很多次數(shù)值實(shí)驗(yàn)。

“因?yàn)椴磺宄诘厍虼艑悠D(zhuǎn)現(xiàn)象中，到底是傾斜的激波還是傾斜的太陽風(fēng)起主導(dǎo)作用，我們就通過改變輸入條件做了多次模擬。例如，在一次模擬里面，我們讓行星際激波正面沖擊地球，僅僅讓太陽風(fēng)的方向發(fā)生突變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁層可以發(fā)生同樣的偏轉(zhuǎn)。”史全岐說，太陽風(fēng)本身的轉(zhuǎn)向就能促成地球磁場偏轉(zhuǎn)，意味著這種偏轉(zhuǎn)情況發(fā)生的頻率可能會(huì)比原來想象的還要高，因?yàn)闈M足偏轉(zhuǎn)條件的太陽風(fēng)出現(xiàn)的概率，比行星際激波出現(xiàn)的概率要高得多。

“我們也用另一種模型進(jìn)行了結(jié)果的驗(yàn)證。兩種不同的全球磁流體模擬結(jié)果都表明，月球位置上的磁尾偏轉(zhuǎn)主要受太陽風(fēng)的控制，時(shí)間尺度約為半小時(shí)?！笔啡硎?。

新發(fā)現(xiàn)有助月球空間天氣預(yù)報(bào)

如果地球“罩不住”月球的現(xiàn)象有規(guī)律可循，那么月球空間天氣將有望做到預(yù)報(bào)預(yù)警。

史全岐解釋說：“基礎(chǔ)理論研究將根據(jù)數(shù)據(jù)的觀測和數(shù)值模擬結(jié)果構(gòu)建模型。未來可以通過距離太陽更近的衛(wèi)星去監(jiān)測這種偏轉(zhuǎn)。一旦偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，就可以馬上把信號(hào)傳遞到地面，人們就能經(jīng)過模型分析，預(yù)測它到達(dá)月球后會(huì)使磁層偏轉(zhuǎn)到什么程度。如果偏轉(zhuǎn)得很厲害，就可以提前幾十分鐘進(jìn)行預(yù)警，通知關(guān)閉月球上的設(shè)施敏感儀器，并讓宇航員馬上躲到掩蔽設(shè)施中去。”

“我們期待這一發(fā)現(xiàn)能夠在將來幫助改進(jìn)月球輻射環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型，為月球上的各類活動(dòng)提供一個(gè)安全緩沖期?！笔啡M(jìn)一步表示。

“空間天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)很像地球上的天氣預(yù)報(bào)，不同的是觀測對(duì)象，空間天氣需要追蹤太陽風(fēng)、粒子風(fēng)暴和行星際電磁場等因素對(duì)空間造成的影響?！笔啡f，山東大學(xué)目前已經(jīng)建立了月球輻射探測實(shí)驗(yàn)室，除了進(jìn)一步分析我國嫦娥四號(hào)探測器傳回的月球空間環(huán)境數(shù)據(jù)之外，還將發(fā)展一些自主探測手段，希望將相關(guān)空間天氣的活動(dòng)規(guī)律研究得更加清楚。記者 張佳星