水在太阳系形成和演化过程中发挥了关键作用，同时也是重要的地外资源，因此成为国际深空探测和研究的焦点。月球水的来源、迁移和分布特征一直是月球研究的热点，也是我国嫦娥七号任务的重要科学目标。与地球不同，月球表面缺少全球性磁场及浓密大气保护，来自周围空间的各种辐射粒子可以直接打到月表。近年来的地面实验和卫星观测都表明，太阳风质子打入月壤后，可以与月壤中的氧化物结合产生羟基或水，从而成为当前月表水的主要来源。因此，太阳风成因水的赋存状态及迁移规律成为当前月表水研究的主要科学问题。
由M3光谱观测数据可知，月表羟基或水浓度表现出随纬度、地方时的相关性，并有晨昏和南北的不对称性。具体而言，月表羟基或水浓度可以从赤道的接近0 ppm增长至极区的上1000 ppm，另外晨侧浓度要高于昏侧，日变化可达200 ppm。此外，观测还发现南半球水含量整体要低于北半球。针对这些观测现象，人们建立了月表水的迁移和分布模型。这些模型分为两类：一是基于局部连续性方程的扩散和脱附模型，二是基于弹跳运动的蒙特卡罗迁移模型。前者主要考虑水分子在月壤内部的输运及平衡过程，但不能反映水分子在近月空间的迁移过程。后者考虑了水分子在近月空间的迁移运动，因而可以定量分析太阳风水从低纬向高纬的输运过程。人们基于这些模型已经可以比较好地解释观测上看到的水浓度随纬度的相关性以及晨昏的非对称分布。然而，目前模型存在一定局限性，首先没有考虑磁异常和地球磁层对来流太阳风通量的影响，其次模拟结果不能解释观测上看到的南北不对称性。
为了解决上述模型的局限性，我们利用自主建立月球全球Hall MHD模型来得到来流太阳风通量。该模型中包含了一个450阶球谐函数磁异常模型，从而能够反映磁异常遮挡对月面太阳风通量的影响。同时，我们还借助地球磁层全球模型来考虑月球在绕地球公转运动中背景等离子体环境的整体变化，从而能够比较自洽地反映地球磁层对来流太阳风通量的影响。依据这些太阳风通量，我们可以计算月面羟基或水的产率，再结合月面温度模型，我们就能得到月面不同位置处羟基或水分子的发射率。再利用龙格库塔算法来计算这些粒子的迁移运动，最终得到计算粒子在月面及外逸层中的分布。
图1 月面OH粒子数随时间的变化
通过模拟计算发现，太阳风成因水首先会在晨昏线附近累积，随着月球自转昏侧累积的水分子会逐渐移至夜侧，经过大约半个月后可移动至晨侧，并与晨侧累积的水分子汇聚，最终形成晨侧的高密度带。另一方面，由于低温冷阱效应，水分子会逐渐在月球极区聚集，形成极区的高密度带。计算表明，对于中低纬度地区，月面水分子密度大约在60天后达到动态平衡（随时间变化幅度小于10%）。对于极区，因为目前没有考虑损失机制，因而水分子密度会持续增加，借此我们可以得到太阳风成水在极区的沉降率约为1012m2 s-1，这个沉降率可用于评估极区水的收支平衡及赋存状态。
图2 月面OH浓度及其随时间和地方时的分布
由于受地球磁层影响，月面OH浓度还会随月相变化。相比于太阳风中，磁尾中的OH浓度会减小15%左右。另外，磁层遮挡效应会在月球夜侧带来一个额外的低密度区，它会随着月球自转而移动，称作幽灵区（Ghost feature）。此外，由于月球磁异常主要分布在月球南半球并降低南半球的太阳风通量，我们可以看到南北球的OH浓度整体比北半球低，最多可相差31%，从而比较好地解释了观测上看到的南北不对称性。另外，我们的结果显示极区OH浓度可到1000 ppm，中低纬度表现处晨昏不对称性，OH日变化可达200 ppm，这些都与M3观测结果一致。
图3 月球外逸层中的OH密度分布
我们的模型还给出了外逸层中的OH密度分布，结果显示外逸层中的OH主要分布在向阳面，月面附近密度约为109 m-3，并在50公里高度左右降到108 m-3。另外，受月球自转影响，外逸层OH密度也表现出晨昏不对称性，即晨侧密度整体高于昏侧密度。同时，由于月球极区低温冷阱效应，两极上空会出现密度空洞。之前LADEE卫星任务观测显示，近月空间的水分子浓度在108～109 m-3量级，因此我们的模拟结果与LADEE观测结果在量级上也是相符的。
总的来说，我们建成了月球水族（羟基或水）分子全球迁移的数值模型，该模型不仅能够重现M3观测数据看到的月表水浓度随纬度和地方时的变化，同时也与LADEE卫星观测的外逸层浓度量级一致，并比较好地解释了之前模型未能解释的南北不对称性。此外，我们的模拟结果还看到了以前观测上未曾看到的新现象，包括：夜侧的幽灵区、极区上空的密度空洞等。这些结果不仅有助于正确理解月球太阳风水的分布特征，而且也为未来在月球上找水提供了科学依据，同时也可为研究水星、冰卫星等稀薄大气天体的水循环提供参考。
目前该工作已发表在行星科学权威期刊JGR: Planets上，文章链接如下：
Chen, J., Xie, L., Li, L., Liu, Y., Zhang, A., Zhang, Y., et al. (2025). Monte Carlo simulation of the global migration of lunar hydroxyl from a magnetic‐shielded solar wind source. Journal of Geophysical Research: Planets, 130, e2025JE009003. https://doi.org/10.1029/2025JE009003.