隨著“天問一號”的成功發(fā)射，中國探測火星的征程正式啟動，引發(fā)了網(wǎng)友的熱烈討論，其中一個經(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。

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間進(jìn)行登月作業(yè)時，可能面臨著哪些不同的空間天氣。”論文通訊作者、山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院教授史全岐對科技日報(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

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”會給登月帶來哪些影響呢?

“對于探月，最危險(xiǎn)的是高能粒子對設(shè)備材料和器件的影響。”史全岐說。高能粒子的轟擊會對電子設(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)星也可能會被帶電粒子影響，并隨著時間的推移而累積，導(dǎo)致設(shè)備提早“退役”。另外，人類如果較長時間暴露在超過安全標(biāo)準(zhǔn)的輻射劑量下, 人體細(xì)胞會發(fā)生癌變。所以對于在月表作業(yè)的航天員來講，過量的輻射會影響到身體健康，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)時會產(chǎn)生水，因此了解太陽輻射對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，地球磁場會對其產(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)周期的四分之三時間里，太陽風(fēng)中的質(zhì)子、電子等會直達(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間里，月球會進(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的航天員會在滿月期間相對安全一些。

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。如果此時月表上有探測活動，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，模擬的一個好處，是可以對地月空間的磁場和等離子活動進(jìn)行整體再現(xiàn)，克服了衛(wèi)星只能觀測一兩個點(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，時間尺度約為半小時。”史全岐表示。

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)境的動態(tài)模型，為月球上的各類活動提供一個安全緩沖期。”史全岐進(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空間造成的影響。”史全岐說，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)空間天氣的活動規(guī)律研究得更加清楚。(記者 張佳星)

標(biāo)簽： 探月