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国内学者在月球空间环境方面的最新进展被美国宇航局报道

—— 月球在满月期间可能脱离地球磁场的保护

2020年07月02日 星期四 16:49:31

近日,山东大学等单位的科研人员联合发现月球在满月期间可能脱离地球磁场的保护,暴露于高能太阳粒子的辐射风险之中。这一工作被美国宇航局(NASA)以“发现月球暴露于太阳辐射的新模式”为题进行了报道,指出其可为人类登月活动提供月球辐射环境方面的重要参考。同时,此工作还被美国加州大学洛杉矶分校、匈牙利科学院、美国地球物理学会等进行了详细深入的报道。

皎皎满月悬挂夜空,熠熠生辉,让人充满无限的遐想,但月球周围却每时每刻都在发生着很多我们肉眼所看不见的物理和化学过程。同时,我们的太阳不仅提供着生命之光,还不断地喷射出大量的高速粒子流¬(叫做太阳风)充满整个太阳系,其中不时有一些较高能量粒子的爆发,可能导致航天器的传感器和其他电子器件设备发生故障,更糟糕的是,它们还可使宇航员面临致癌的风险。由于月球没有大气和磁场的保护,在月球公转周期的四分之三时间里,太阳风中的质子、电子以及高能粒子会直达月球表面,而在剩余的四分之一时间(包含满月阶段),月球会进入地球的磁保护伞——磁层(或者说磁尾,即被太阳风拉伸后的地球磁场),这个保护伞能够对高能粒子起到一定的屏蔽作用。先前的一些模拟工作已表明,在满月期间因为磁层的这种保护作用,运行在月球轨道上的航天器和在月面上活动的航天员会相对安全一些。

然而,最近山东大学空间科学团队成员联合中科院空间中心、北京大学、美国加州大学洛杉矶分校、英国伦敦大学学院、卢瑟福实验室等国内外多个单位的科研人员,利用美国宇航局THEMIS-ARTEMIS月球轨道探测器,发现在一个行星际激波通过后太阳风发生了大幅度转向,导致磁层在月球轨道处产生大幅度的偏转:磁尾就像被风吹拂的“风向袋”一样摇摆,使位于满月期间的月球直接暴露于地球磁鞘——即被加热和压缩了的太阳风——之中,这时位于月表的宇航员和基地设施无法受到地球磁场的有效屏蔽,增大了被高能太阳粒子辐射的风险。打个比方,就像在生活中我们会有这样的经历:在伴随着阵风的大雨中,即使人们站在伞下,雨水也可以从侧面被风吹过来将人打湿,而有时候冰雹会从暴风雨中落下并危及人类的财产和生命安全,太阳时而爆发的高能粒子就像这些雨中的冰雹。

图1 磁层(图中深色部分)被太阳风吹偏后,月球直接暴露于太阳风中的艺术效果图。图片来源:加州大学洛杉矶分校Emmanual Masongsong。

类似本研究发现的这种磁层偏转现象早在1972年就被预测到了,但当时和后续研究都认为这种大幅度的偏转主要发生在距离地球很远的地方,如三倍的地月距离上。而在本工作中,科学家们不仅在月球轨道上发现了激波之后太阳风转向导致磁层明显偏转的事例,还通过数值模拟计算揭示,只要太阳风有明显的转向,即使没有行星际激波,磁层也会发生相应的偏转,因此这种情况发生的频率可能会比我们想象的还要高。如果利用上游卫星观测提前获知太阳风偏转信息,可以在危险的太阳高能粒子到达前约三十分钟内进行预警,让宇航员和敏感仪器提前规避,因此,论文的通讯作者、山东大学的史全岐教授说:“我们期望这一发现能够在将来帮助改进月球辐射环境的动态模型,为月球上的各类活动提供一个安全缓冲期”。此外,太阳风的影响也会随着月表环境和纬度的不同而变化,这可能会影响将来长期月表基地的选址、采矿作业等活动。而当太阳风质子与月球土壤发生反应时,水的合成也会发生,因此本工作也有助于我们更好地了解水在月球表面的沉积位置和方式,以供月球上人类所需和航天器燃料来源。

加州大学洛杉矶分校、THEMIS-ARTEMIS项目的首席科学家Vassilis Angelopoulos教授指出:“在我们将宇航员送回月球进行长时间的活动之前,了解月球周围空间天气的动态变化是至关重要的。关于这些,目前还有许多科学和安全问题需要解决”。

美国宇航局网站指出,美国的“阿提弥斯”计划(注:Artemis计划,和以上月球环境探测的ARTEMIS为不同计划)准备在2024年之前发送载荷设备和载人登月飞船,以图重返月球,因此详细了解月球空间的粒子辐射环境至关重要,而目前的月球空间环境探测可以帮助科学家和工程师更好地了解这些信息。我国近年来也成功实施了一系列探月计划,因此本工作也有望对我国将来建设月球基地和实施载人登月等任务提供重要的参考。

相关研究成果发表在业内权威杂志《Journal of Geophysical Research: Space Physics》上。本工作在空间天气学国家重点实验室开放课题的资助下完成,此外本工作还受到了国家基金委的面上项目、国际合作项目,以及英国皇家学会牛顿高级学者等基金的支持。

图2 从地球北极上空向下看,在通常的太阳风条件下(左图)、以及偏离日地连线的太阳风条件下(右图),月相和磁层的位置。图片来源:山东大学威海校区/加州大学洛杉矶分校

图3 全球MHD数值模拟显示太阳风偏转会导致地球磁层摆动。当太阳风偏转足够强时,处于满月的月球可暴露于太阳辐射之中。来源:天气室PPM-LR数值模型。

目前,该项研究成果已被JGR-Space Physics选作2020年4月出版的第125卷第4期的封面。

研究论文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JA027401



 

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