月球發(fā)出奇異的光？竟然是來自月球“塵暴”……

作者：孟雪潔（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

你知道月亮的背面是什么樣子的嗎？

由于月球自轉(zhuǎn)周期恰好等于公轉(zhuǎn)周期，月球始終有一面背向地球，幾千年來地面上的人們始終無緣得見月球背面的真容。

1959年蘇聯(lián)發(fā)射的月球3號探測器在飛越月球時(shí)第一次拍下了月球背面的照片，此后幾十年里人類對月球背面進(jìn)行過多次遙感探測，包括中國嫦娥計(jì)劃在內(nèi)的多個(gè)探測器飛臨月球背面，獲得了大量數(shù)據(jù)。

圖1 嫦娥二號拍攝的月球背面影像圖

雖然此前玉兔號探測器順利完成了月球正面的原位探測任務(wù)，然而月球背面環(huán)境與正面相比還有很多區(qū)別。其中，月球塵埃的侵襲就是必須面對的一個(gè)重要問題。月球的塵埃環(huán)境是怎樣的？這要從阿波羅17號宇航員看到的發(fā)光現(xiàn)象說起。

月球發(fā)出奇異的光

1972年的一天，當(dāng)阿波羅17號處在月球背陽面的軌道上，太陽還在月球的地平線之下時(shí)，宇航員尤金·塞爾南正在觀測太陽大氣。這種觀測是建立在月球完全擋住了太陽自身明亮的光線，而使太陽大氣微弱的光線變得更明亮的假設(shè)基礎(chǔ)上的。

塞爾南確實(shí)觀測到了太陽大氣發(fā)出的微弱的光芒，但是他也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇異的現(xiàn)象：就在太陽升起前，月球地平線上出現(xiàn)了一道細(xì)長的新月狀的明亮光線，就像地球上日出和日落時(shí)地平線上出現(xiàn)的情景。地球上因?yàn)榇髿庵械乃趾突覊m對太陽光線的散射造成地平線上的發(fā)光現(xiàn)象。而月球上幾乎沒有大氣，或者說月球大氣非常稀薄，甚至氣體分子之間極少發(fā)生碰撞。如此稀薄的大氣是不可能產(chǎn)生這樣的光線散射的。

圖2 尤金·塞爾南對神秘發(fā)光現(xiàn)象的記錄

圖3 勘測者7號月球探測器拍到的月球地平線上奇怪的發(fā)光

然而，更為奇異的是，月球地平線發(fā)光的現(xiàn)象并不是總能被觀測到。阿波羅16號上的宇航員肯·馬丁利做了相似的太陽大氣觀測，但是沒有觀測到月球地平線發(fā)光的現(xiàn)象（這也是他個(gè)人極大的遺憾）。同時(shí)，在阿波羅15和17號的日冕觀測照片上都能發(fā)現(xiàn)月球地平線特別的明亮，而阿波羅16號的日冕觀測照片上卻找不到同樣的現(xiàn)象（這也與宇航員的說法吻合）。

其實(shí)這神奇的散射光來自月球“塵暴”。

帶電的月球“塵暴”

月球表面覆蓋著一層很厚的塵埃顆粒，是數(shù)億年中月球表面反復(fù)受隕石撞擊形成的，主要由晶質(zhì)顆粒與較大的火成巖碎塊﹑玻璃質(zhì)碎片（包括大量的玻璃球粒）及微量金屬顆粒組成。月塵顆粒非常細(xì)小，平均尺寸在45~100微米之間。直徑小于1mm的月塵顆粒占月壤總質(zhì)量的95%以上，大部分的顆粒都非常銳利和透明，類似于精細(xì)的礦渣或是火山灰。

月塵具有極強(qiáng)的吸附能力、材料磨損能力和穿透能力。細(xì)小的月塵會附著在執(zhí)行出艙任務(wù)的航天員的航天服表面，被帶回登月艙內(nèi)部，甚至直接滲透進(jìn)航天服中，對宇航員的健康產(chǎn)生極大損害。

阿波羅計(jì)劃的宇航員曾報(bào)告過登月艙內(nèi)部漂浮著閃閃發(fā)光的月塵顆粒，這些塵埃引起了皮膚，眼睛和呼吸道的不適感。對于非載人的月球探測任務(wù)，月塵可能遮擋著陸器太陽能電池板，滲透進(jìn)儀器內(nèi)部，造成污染、磨損、故障甚至失效。阿波羅12號航天員在對Surveyor 3無人登陸器檢查中發(fā)現(xiàn)，在月面停留2年多時(shí)間內(nèi)Surveyor 3光學(xué)鏡面被月塵覆蓋并發(fā)生損傷。

圖4 月球塵埃顆粒

月塵的特性是由其攜帶的電荷造成的。月球表面沒有大氣和磁場的保護(hù)，長期遭受來自空間的等離子體轟擊，其中熱電子會在具有低介電系數(shù)和介電損耗月球塵埃顆粒上累積。在有光照的情況下，塵埃顆粒發(fā)射出的光電子會帶走多余的負(fù)電荷，將月塵電位維持在幾伏特左右，所以月球的向陽面不會有“塵暴”現(xiàn)象。

而在月球的背陽面，因?yàn)闆]有光照，電子將在月塵顆粒上不斷積累，可能使塵埃顆粒具有幾百伏特至上千伏特的負(fù)電位。帶電的塵埃粒子相互排斥漂浮在月球表面，在空間等離子體環(huán)境惡劣的情況下甚至能達(dá)到幾十公里高度，形成名副其實(shí)的月球“塵暴”，對月球著陸任務(wù)的安全造成威脅。

上文提到的月球地平線發(fā)光現(xiàn)象正是這些漂浮的塵埃顆粒對太陽光線的散射造成的。由于月球塵埃的漂浮高度與月球周圍空間的等離子體環(huán)境有關(guān)，因此肯·馬丁利沒能捕捉到這種神秘的亮光。

圖5 月球表面塵埃帶電

加強(qiáng)塵暴——與地球磁層的“約會”

月球背陽面的“塵暴”等級受空間中的等離子體的影響，那么月球遭受的等離子體環(huán)境情況如何呢？

大多數(shù)時(shí)間里，月球沉浸在太陽風(fēng)等離子體環(huán)境中，其中的熱電子通量并不高，月塵帶電效應(yīng)也不顯著。然而在滿月前后五天左右的時(shí)間內(nèi)，月球會穿越太陽風(fēng)在地球背陽面形成的長長腔體——地球磁尾。這一區(qū)域受太陽風(fēng)和地球磁場的雙重影響，等離子體環(huán)境更加復(fù)雜、惡劣，中心區(qū)域等離子體溫度比太陽風(fēng)高一到兩個(gè)量級。在月球不受光照的背陽面，高通量的電子聚集在的塵埃顆粒上，可能使其電位達(dá)到負(fù)幾千伏特，形成月球“加強(qiáng)塵暴”。

圖6 月球穿越地球磁尾示意圖

位于月球背面的嫦娥四號著陸器在滿月期間恰好處于背陽面。每當(dāng)月球與地球磁層進(jìn)行這幾天短暫的“約會”，著陸器就會遭受地球磁尾帶來的月球“加強(qiáng)塵暴”侵襲，同時(shí)著陸器本身也會經(jīng)歷復(fù)雜的電荷交換過程，勢必會對它的探測活動造成影響。

對于嫦娥四號著陸器來說，這既是一個(gè)挑戰(zhàn)也是一個(gè)機(jī)遇。根據(jù)嫦娥三號任務(wù)獲得的月球表面環(huán)境數(shù)據(jù)，研究人員可以更為準(zhǔn)確地模擬月球塵埃對著陸器造成的影響，并進(jìn)行一系列地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，最終改進(jìn)嫦娥四號著陸器的防塵設(shè)計(jì)，以保障運(yùn)行安全。

結(jié)語

月球表面最惡劣的環(huán)境是怎樣的？月球背面塵埃在磁尾區(qū)域內(nèi)會經(jīng)歷怎樣的充放電過程？由于缺少原位探測，時(shí)至今日這依然是有待研究的課題。相信嫦娥四號的探測將帶領(lǐng)我們探尋更多的未知。