地球磁场不能覆盖月球吗？这对安全的月球探测仍然是必要的

最近，山东大学的空间科学小组与国内外的研究人员一起，发现了一种新的月球暴露于太阳辐射的模型，——。在满月期间，月球可能脱离地球磁场的保护，暴露在高能太阳粒子的辐射风险中。相关论文发表于《地球物理研究空间物理》。

“地球磁尾的摆动是太阳风和地球磁层相互作用的结果。由于这种摆动影响了月球的空间环境，这项研究将有助于人们了解他们在长时间登上月球时可能面临的不同的空间天气。”本文作者、山东大学空间科学与物理学院教授石全奇告诉《科技日报》记者，过去人们认为地球磁层的偏转主要发生在远离地球的地方，而这种偏转首次发生在月球轨道上。

高能粒子影响探月活动

满月像镜子一样明亮，地球上的岁月是平静的。然而，由于太阳风不停地吹进行星际空间，太阳偶尔爆发，没有大气的月球表面远非“平静”，甚至受到高能粒子辐射的“轰击”。

这种“轰炸”会给登月带来什么影响？

“对于月球探测来说，最危险的事情是高能粒子对设备材料和装置的冲击。”石全琦说道。高能粒子的轰击将在不同程度上损坏电子设备和卫星材料，例如增加仪器噪音、传感器读数误差和太阳能电池板退化。环绕月球运行的卫星也可能受到带电粒子的影响，这些粒子会随着时间的推移而积累，导致设备提前“退役”。此外，如果人类长期暴露在超过安全标准的辐射剂量下，人体细胞将会癌变。因此，对于在月球表面工作的宇航员来说，过量的辐射会影响他们的健康，甚至危及他们的生命。

先前的研究表明，当太阳风质子与月球土壤反应时，就会产生水。因此，了解太阳辐射在月球表面的作用规律也将有助于更好地了解水在月球表面的沉积位置和沉积方式，水可以作为月球运行的日常消耗和航天器的燃料来源。

当月球远离太阳运行时，地球的磁场会在某种程度上保护它。研究表明，地球磁场在夜间可以被拉很长时间，形成一个磁尾，从而偏转太阳风中的高能粒子，给月球罩上一层“保护罩”。

也就是说，在月球公转期间，太阳风中的质子和电子将直接到达月球表面，就像“风暴”袭击月球表面一样；在剩下的四分之一时间里，月球将进入地球磁伞——的磁层。

先前的观测和模拟表明，由于地球磁层的保护，绕月球运行的航天器和在月球表面移动的宇航员在满月期间将会相对安全。

从这个角度来看，如果太空天气能像地球的四季一样晴朗，人类在月球上的活动就会有一个明确的“安全期”。然而，石全琦团队的研究发现情况并非如此，之前认为的“安全期”也可能有很大的风险。

　　太阳风导致“保护伞”摇摆

2012年3月8日，一次行星际地震袭击了月球，阿尔特弥斯月球轨道探测器正在附近运行。它上面的磁强计探测到等离子体速度和空间卫星位置的磁场大小和方向，并将数据传回地球。

研究人员发现，在行星际冲击波通过后，太阳风急剧转向，导致月球轨道上的磁层发生大的偏转：磁尾像风吹来的“风袋”一样摇摆。

这种摆动导致月球的空间天气发生变化：满月时，月球直接暴露在地球的磁鞘中(加热和压缩的太阳风)。如果在月球表面有探索活动，宇航员和基地设施得不到有效保护，即使有地球磁层的保护，他们仍然可能受到太阳高能粒子的攻击。就像在暴风雨中，即使人们站在雨伞下，他们仍然会被雨水淋湿。

在国家空间气象重点实验室开放项目的支持下，山东大学石全奇团队与国家空间科学中心副研究员唐斌斌合作，通过观测和模拟，对月球空间气象“变脸”的原因进行了较为详细的探索。

唐斌斌介绍说，模拟的好处之一是可以再现整个地月空间的磁场和等离子体活动，克服了卫星只能观察一两个点的限制；另一方面，通过模拟，我们不仅可以再现观察到的情况，而且可以改变不同的输入条件来检验在许多复杂因素中哪个因素占优势，这相当于做许多数值实验。

“由于倾斜激波或倾斜太阳风是否在地球磁层偏转现象中起主导作用尚不清楚，我们通过改变输入条件进行了多次模拟。例如，在一次模拟中，我们让行星际冲击波正面撞击地球，结果只是使太阳风的方向突然改变，结果发现磁层也能发生同样的偏转。”石全奇说，太阳风本身的转向会导致地球磁场的偏转，这意味着这种偏转的频率可能比原先认为的要高，因为太阳风满足偏转条件的概率要比行星际冲击波高得多。

“我们还使用了另一个模型来验证结果。两种不同的全球磁流体模拟结果表明，月球位置的磁尾偏转主要受太阳风控制，时间尺度约为半小时。”石全琦说道。

新发现有助月球空间天气预报

如果地球不能定期覆盖月球，月球空间的天气将被预测和警告。

石全奇解释说：“基础理论研究将基于数据观测和数值模拟结果建立模型。将来，这种偏转可以被更靠近太阳的卫星监测到。一旦偏转现象发生，信号可以立即传输到地面，人们可以通过模型分析预测磁层到达月球后会偏转多远。如果偏转很强，你可以提前几十分钟发出预警，通知月球上的敏感仪器关闭设施，并让宇航员立即躲进掩蔽设施。”

“我们希望这一发现有助于改进未来月球辐射环境的动态模型，并为月球上的各种活动提供一个安全的缓冲期。”石全琦进一步说道。

“空间天气的预警和预报与地球上的天气预报非常相似。不同的是观察对象。空间气象需要跟踪太阳风、粒子风暴和行星际电磁场对空间的影响。”石全奇表示，山东大学已经建立了月球辐射探测实验室，不仅将进一步分析中国嫦娥四号探测器返回的月球空间环境数据，还将开发一些独立的探测方法，希望能够更清晰地研究相关空间天气的活动规律。