“地球风”可在月球表面生成水

近日,山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队、空间科学研究院磁层与太阳风相互作用课题组和行星科学课题组,联合国内外多个单位科研人员,通过多学科交叉研究(空间物理、天体化学和行星光谱学),提出并证实“地球风”可在月球表面生成水。相关研究成果发表于业内权威杂志Astrophysical Journal Letters,并被《自然》(NATURE)杂志和美国天文学会收录为研究亮点(research highlight),美国宇航局ARTEMIS卫星主页和空间天气信息网(spaceweather.com)等分别以“地球磁层产生月表水的首次证据”、“空间天气的一种新形态:地球风” 等为题进行了深入推荐,并指出其可为整个太阳系的行星与其天然卫星的物质交换提供开创性思路。

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月球在磁层中,地球风产生月球水的效果图。(图片来源:Emmanuel Masongsong。)

由于月球上的极端温度和恶劣的太空环境,在阿波罗探月之前,人们普遍认为月球如沙漠一般干燥。然而,后来许多研究却发现月球上存在各种形式的水,如两极永久阴影区的水冰、火山岩石中蕴含的水。这些发现引发了人们对月球水的广泛兴趣-月表上的水究竟如何分布?它们来自哪里?它们是怎么生成的?目前一种主流理论认为,来自太阳的太阳风包含带正电的氢离子,它们轰击月球表面,与表面物质中的氧原子结合,生成了羟基(OH)或水分子(H20)。本研究却发现,太阳风粒子可能并非是月表水的唯一来源,来自地球的粒子(即“地球风”)同样可以与月球表面物质作用生成水,并且其他行星的卫星上也可能存在与地月系统类似的作用过程。

地球周围有个磁保护伞,叫做磁层。从地球高层大气逃逸并进入磁层的氧离子、氮粒子、氢离子等,加上以各种方式进入磁层的部分太阳风粒子,共同构成了能够到达月球的地球磁层粒子,即“地球风”,其特性与太阳风粒子截然不同。在满月前后的约3天时间里,月球位于地球磁层内,此时太阳风被屏蔽,不再轰击月表生成水;计算表明,先前由太阳风产生并蕴藏于月表的水,在表面热环境的驱动下,会大量地“蒸发”损失掉。然而出乎意料的是,研究团队利用月船一号月球矿物绘图仪数据分析发现,在地球磁层屏蔽太阳风期间,月球表面的水却并未因热损失而显著减少。通过比较进入磁层之前、期间和之后月球表面水含量的变化,以及月亮女神卫星和西弥斯-阿尔忒弥斯卫星对近月空间太阳风和地球风的探测结果,研究团队证实了地球风可以补充月表由于热损失而减少的水。在这个意义上,磁层成为了连接地球和其天然卫星-月球的“桥梁”,为两者之间的物质输运提供了通道。

这一发现为数值模拟和实验室模拟月球水的形成过程提供了参考,同时因太阳系其它行星系统中也可能存在类似的物质输运“桥梁”,本研究可以使人们更加深入的理解太阳系中水的演化、以及太阳和磁层活动对其它行星-卫星系统的影响等问题。在此基础上,人们可在最近的嫦娥5号月表取样中分析相关地球风成分,而通过未来环月和月表就位探测任务(如嫦娥7号等)搭载的光谱仪及粒子探测载荷,人们将获得更加全面的认识,并有望帮助人类勘探和开采利用水资源,为最终建立月球基地做准备。

该交叉科学研究历时七年,合作者来自空间物理、天体化学和行星光谱等多个学科,利用各自优势,克服同步联合观测资料少、配合难等问题,融合近月太阳风和地球风观测以及月表光谱等数据,对月球在太阳风和地球风中表面水的产生和损失过程开展了详尽分析,最终证实了地球风对月表水的重要贡献。本工作得到了国家基金委的面上项目、国际合作项目,国家重点实验室开放课题以及英国皇家学会牛顿高级学者等基金的支持。

参考:H. Z. Wang et al 2021 ApJL 907 L32. https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd559

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