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如果人类旅居月球,这个细节得先弄清楚

2020-07-05 10:16 点击:18次 全一 纬度 发现 数据 mini

来源:科技日报

月球:地球大哥,为什么我在你的身后躲着,也会觉得“太阳风”凛冽如刀割呢?

地球:月亮小弟,我的磁场似乎有些摇摆,中国科学家最新研究发现即使你在我身后,我的磁场有时候也“罩不住”你……

6月30日,美国NASA网站以“发现月球暴露于太阳辐射的新模式”为题报道了我国科学家最新发现,相关论文此前刊登在国际期刊《地球物理研究·空间物理》上。美国地球物理学会(AGU)、英国卢瑟福实验室(RAL)等机构也对此研究进行了关注和报道。

“地球磁尾的摇摆是太阳风和地球磁层相互作用产生的现象。由于这种摇摆影响到月球的空间环境,这项研究将有助于人们了解登月后如果长时间的进行登月作业,可能面临着哪些不同的空间天气。”论文通讯作者、山东大学空间科学与物理学院教授史全岐对科技日报说,过去认为地球磁层偏转的现象主要发生在距离地球很远的地方,如三倍的地月距离上,此次是首次发现这种偏转发生在月球轨道上。

为什么这项研究会得到NASA的关注?加州大学洛杉矶分校、THEMIS-ARTEMIS项目的首席科学家Vassilis Angelopoulos教授认为:“将宇航员送到月球进行长时间活动,需要了解月球周围空间天气的动态变化。”

认识太阳系的“暴风骤雨”

一轮满月,皓明如镜。

在这样的日子里,地球上的人们经常对月当歌、感叹岁月静好。然而在太空中,太阳风却从不停歇的吹向行星空间,间或伴随着太阳高能粒子的爆发,没有大气层的月球表面其实远非“静好”,而是经常饱受高能粒子辐射的“轰击”。

这样的“轰击”会带来什么后果呢?

“对于探月装备,最危险的是高能粒子对设备材料和器件的影响。”史全岐说。高能粒子的轰击会对电子设备和卫星材料造成不同程度的损坏,如导致仪器噪声增加、传感器读数错误、太阳能电池板退化等。围绕月球轨道运行的卫星也可能被带电粒子影响,并随着时间的推移而累积,造成设备提早“退役”。另外,我们如果较长时间的暴露在超过安全标准的辐射剂量下, 人体细胞就会发生癌变及其它病变,所以对于在月表作业的航天员来讲,过量的辐射会影响到身体健康甚至危及生命,因此在月球上对人员的辐射监测和防护也显得至关重要。

也有报道认为,当太阳风质子与月球土壤发生反应时,水的形成也会产生,因此了解太阳辐射对于月球表面的作用规律,也有助于更好地了解水在月球表面的沉积位置和方式,以供月球上人类消耗和航天器燃料来源。

但当月球公转到远离太阳的一侧(包括满月阶段),地球磁场会产生一定的保护作用。有研究显示,地球磁场在夜晚面可以被拉得很长(形成磁尾),能够偏转太阳风中的高能粒子,给月球表面罩上“保护罩”。

也就是说,在月球公转周期的四分之三时间里,太阳风中的质子、电子以及时而爆发的高能粒子会直达月球表面,犹如“暴风骤雨”袭击月表;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——磁层中被屏蔽。先前的一些观测和模拟工作已表明,在满月期间因为磁层的保护,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。

如果“空间天气”能这般“四季分明”,那人类在月球上的活动将有很明确的“安全期”。然而史全岐团队研究发现,并非如此,在此前认为的“安全期”期间可能也存在很大的风险。

截获空间天气“变脸”

时间回到2012年3月8日,一道行星际激波由远至近袭向月球,阿耳特弥斯探测器正运行到附近,它装载的磁强计探测到空间中卫星所在位置的等离子体速度和磁场的大小和方向,并将数据传回地球。

“卫星传回的数据是海量的,不同的科研团队会设定不同的研究目标,我们在进行另一项研究工作时,关注到这一时段的等离子体和磁场数据有些特别,和磁层有很大的区别。”史全岐说。

团队通过对更广泛的数据进行筛选和分析,发现过去在月球轨道附近的观测中还没有出现地球磁层尾部大幅度偏转的报道。团队发现在这个事例里面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。

这样的摇摆使得月球的空间天气来了一个“大变脸”: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,如果此时月表上有探索活动,而宇航员和基地设施没有得到有效保护,那么地球磁场也不会给予有效的屏蔽,很有可能将被刚好到来的高能太阳粒子辐射袭击。

打个比方,就像在狂风大雨中,“月球(包括月表的人和物)”即使站在伞下,但雨水和时而出现的冰雹也会打击到它。

而这样的磁层偏转现象,从1972年有预测以来一直被认为只能发生在距离地球很远的地方,如三倍以上的地月距离上,从未被观测到可能殃及月球。

“最开始我们的角度是研究地球磁尾中的流动,但当它发生在月球轨道,那么意味着和月球空间环境有所关联。”史全岐说,理论研究出现了潜在的应用价值,于是团队联系到中科院国家空间科学中心,开展了更深入的研究。

逼真模拟的重现与再发现

山东大学史全岐团队与国家空间科学中心副研究员斌斌共同合作,在空间天气国家重点实验室开放课题的支持下,一方负责观测,一方负责模拟,在中科院、北大、南信大等单位同事的帮助下,希望对月球空间天气的“变脸”原因进行更细致的探索。

国家空间科学中心的全球磁流体模拟程序是世界主流的模式之一。唐斌斌介绍,“全球磁流体力学(MHD)模拟是在磁层尺度上进行三维建模,来得到太阳风和磁层是如何进行相互作用的。具体来说,模型把已知的上游太阳风参数作为输入,求解三维磁流体力学方程组,并在电离层等边界条件的约束下得到整个磁层空间的等离子参数和磁场位型的分布和其随时间的演化。”

“我们使用的全球磁流体力学模型是由我国自主开发的PPM-LR磁流体力学数值模型,该模型具有精度高、耗散小等特点,可以很好地用来研究我们所关心的问题。”唐斌斌说。

模拟的一个好处是,可以对地月空间的磁场和等离子活动进行整体的再现,克服了卫星只有一两个点的观测的局限性。通俗地说,模拟看全局,卫星只能看到它所在点的参数。

另一方面,通过模拟,除了可以再现观测的情况外,还可以通过改变不同的输入条件,去看看在众多复杂的因素里面,到底哪个因素占主导地位。相当于可以做很多次实验,即数值实验。

“因为不清楚到底是观测中倾斜的激波还是倾斜的太阳风起主导作用,我们就改变不同的条件作了多次模拟,例如,在一次模拟里面,我们让行星际激波正面冲击地球,仅仅让太阳风的方向发生突变,结果我们发现磁层可以发生同样的偏转。”史全岐说,太阳风本身的转向就能促成地球磁场偏转的发现,意味着这种偏转情况发生的频率可能会比原来想象的还要高,因为满足偏转条件的太阳风出现的概率,比行星际激波出现的概率高很多。

偶然而至的行星间激波将团队的关注点引入到月球轨道的地球磁层偏转上,但持续深入的研究,让团队发现了更大的秘密——

“我们也用另一种模型进行了结果的验证。两种不同的全球磁流体模拟结果都表明,月球位置上的磁尾偏转主要受太阳风方向的控制,时间尺度约为半小时。”

摸清规律

可望为登月“播报”空间天气预报

当地球“罩不住”月球的现象不再是个偶然事件,意味着它将有规律可循,并将成为月球空间天气构成的重要组成部分。

研究月球空间天气,将有望做到预报预警。

史全岐解释,“基础理论研究将根据数据的观测和数值模拟结果构建模型。未来可以通过离太阳更近的卫星去监测这种偏转,一旦偏转现象发生,就可以马上把信号传递给地面,人们就能立即经过模型分析,预测它到达月球后会使磁层偏转到什么程度,如果偏转很厉害,就可以最快在几十分钟前进行预警,通知月球上的设施赶紧关闭敏感仪器,宇航员马上躲到掩蔽设施中去。”

“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。”史全岐进一步表示,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。

“空间天气的预警预报很像地球上的天气预报,所不同的是观测对象,空间天气需要追寻太阳风、粒子风暴和行星际电磁场等因素对空间造成的影响。”史全岐说,山东大学目前已经建立了月球辐射探测实验室,除了进一步分析我国嫦娥四号探测器传回来的月球空间环境数据之外,还将发展一些自主探测手段,希望将相关空间天气的活动规律研究得更加清楚。