如果人類旅居月球,這個細節得先弄清楚科技

2020-07-05

來源:科技日報

月球:地球大哥,為什么我在你的身后躲著,也會覺得“太陽風”凜冽如刀割呢?

地球:月亮小弟,我的磁場似乎有些搖擺,中國科學家最新研究發現即使你在我身后,我的磁場有時候也“罩不住”你……

6月30日,美國NASA網站以“發現月球暴露于太陽輻射的新模式”為題報道了我國科學家最新發現,相關論文此前刊登在國際期刊《地球物理研究·空間物理》上。美國地球物理學會(AGU)、英國盧瑟福實驗室(RAL)等機構也對此研究進行了關注和報道。

“地球磁尾的搖擺是太陽風和地球磁層相互作用產生的現象。由于這種搖擺影響到月球的空間環境,這項研究將有助于人們了解登月后如果長時間的進行登月作業,可能面臨著哪些不同的空間天氣。”論文通訊作者、山東大學空間科學與物理學院教授史全岐對科技日報說,過去認為地球磁層偏轉的現象主要發生在距離地球很遠的地方,如三倍的地月距離上,此次是首次發現這種偏轉發生在月球軌道上。

為什么這項研究會得到NASA的關注?加州大學洛杉磯分校、THEMIS-ARTEMIS項目的首席科學家Vassilis Angelopoulos教授認為:“將宇航員送到月球進行長時間活動,需要了解月球周圍空間天氣的動態變化。”

認識太陽系的“暴風驟雨”

一輪滿月,皓明如鏡。

在這樣的日子里,地球上的人們經常對月當歌、感嘆歲月靜好。然而在太空中,太陽風卻從不停歇的吹向行星空間,間或伴隨著太陽高能粒子的爆發,沒有大氣層的月球表面其實遠非“靜好”,而是經常飽受高能粒子輻射的“轟擊”。

這樣的“轟擊”會帶來什么后果呢?

“對于探月裝備,最危險的是高能粒子對設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備和衛星材料造成不同程度的損壞,如導致儀器噪聲增加、傳感器讀數錯誤、太陽能電池板退化等。圍繞月球軌道運行的衛星也可能被帶電粒子影響,并隨著時間的推移而累積,造成設備提早“退役”。另外,我們如果較長時間的暴露在超過安全標準的輻射劑量下, 人體細胞就會發生癌變及其它病變,所以對于在月表作業的航天員來講,過量的輻射會影響到身體健康甚至危及生命,因此在月球上對人員的輻射監測和防護也顯得至關重要。

也有報道認為,當太陽風質子與月球土壤發生反應時,水的形成也會產生,因此了解太陽輻射對于月球表面的作用規律,也有助于更好地了解水在月球表面的沉積位置和方式,以供月球上人類消耗和航天器燃料來源。

但當月球公轉到遠離太陽的一側(包括滿月階段),地球磁場會產生一定的保護作用。有研究顯示,地球磁場在夜晚面可以被拉得很長(形成磁尾),能夠偏轉太陽風中的高能粒子,給月球表面罩上“保護罩”。

也就是說,在月球公轉周期的四分之三時間里,太陽風中的質子、電子以及時而爆發的高能粒子會直達月球表面,猶如“暴風驟雨”襲擊月表;在剩余的四分之一時間(包含滿月階段),月球會進入地球的磁保護傘——磁層中被屏蔽。先前的一些觀測和模擬工作已表明,在滿月期間因為磁層的保護,運行在月球軌道上的航天器和在月面上活動的航天員會相對安全一些。

如果“空間天氣”能這般“四季分明”,那人類在月球上的活動將有很明確的“安全期”。然而史全岐團隊研究發現,并非如此,在此前認為的“安全期”期間可能也存在很大的風險。

截獲空間天氣“變臉”

時間回到2012年3月8日,一道行星際激波由遠至近襲向月球,阿耳特彌斯探測器正運行到附近,它裝載的磁強計探測到空間中衛星所在位置的等離子體速度和磁場的大小和方向,并將數據傳回地球。

“衛星傳回的數據是海量的,不同的科研團隊會設定不同的研究目標,我們在進行另一項研究工作時,關注到這一時段的等離子體和磁場數據有些特別,和磁層有很大的區別。”史全岐說。

團隊通過對更廣泛的數據進行篩選和分析,發現過去在月球軌道附近的觀測中還沒有出現地球磁層尾部大幅度偏轉的報道。團隊發現在這個事例里面一個行星際激波通過后太陽風發生了大幅度轉向,導致磁層在月球軌道處產生大幅度的偏轉:磁尾就像被風吹拂的“風向袋”一樣搖擺。

這樣的搖擺使得月球的空間天氣來了一個“大變臉”:位于滿月期間的月球直接暴露于地球磁鞘——即被加熱和壓縮了的太陽風——之中,如果此時月表上有探索活動,而宇航員和基地設施沒有得到有效保護,那么地球磁場也不會給予有效的屏蔽,很有可能將被剛好到來的高能太陽粒子輻射襲擊。

打個比方,就像在狂風大雨中,“月球(包括月表的人和物)”即使站在傘下,但雨水和時而出現的冰雹也會打擊到它。

而這樣的磁層偏轉現象,從1972年有預測以來一直被認為只能發生在距離地球很遠的地方,如三倍以上的地月距離上,從未被觀測到可能殃及月球。

“最開始我們的角度是研究地球磁尾中的流動,但當它發生在月球軌道,那么意味著和月球空間環境有所關聯。”史全岐說,理論研究出現了潛在的應用價值,于是團隊聯系到中科院國家空間科學中心,開展了更深入的研究。

逼真模擬的重現與再發現

山東大學史全岐團隊與國家空間科學中心副研究員唐斌斌共同合作,在空間天氣國家重點實驗室開放課題的支持下,一方負責觀測,一方負責模擬,在中科院、北大、南信大等單位同事的幫助下,希望對月球空間天氣的“變臉”原因進行更細致的探索。

國家空間科學中心的全球磁流體模擬程序是世界主流的模式之一。唐斌斌介紹,“全球磁流體力學(MHD)模擬是在磁層尺度上進行三維建模,來得到太陽風和磁層是如何進行相互作用的。具體來說,模型把已知的上游太陽風參數作為輸入,求解三維磁流體力學方程組,并在電離層等邊界條件的約束下得到整個磁層空間的等離子參數和磁場位型的分布和其隨時間的演化。”

“我們使用的全球磁流體力學模型是由我國自主開發的PPM-LR磁流體力學數值模型,該模型具有精度高、耗散小等特點,可以很好地用來研究我們所關心的問題。”唐斌斌說。

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行整體的再現,克服了衛星只有一兩個點的觀測的局限性。通俗地說,模擬看全局,衛星只能看到它所在點的參數。

另一方面,通過模擬,除了可以再現觀測的情況外,還可以通過改變不同的輸入條件,去看看在眾多復雜的因素里面,到底哪個因素占主導地位。相當于可以做很多次實驗,即數值實驗。

“因為不清楚到底是觀測中傾斜的激波還是傾斜的太陽風起主導作用,我們就改變不同的條件作了多次模擬,例如,在一次模擬里面,我們讓行星際激波正面沖擊地球,僅僅讓太陽風的方向發生突變,結果我們發現磁層可以發生同樣的偏轉。”史全岐說,太陽風本身的轉向就能促成地球磁場偏轉的發現,意味著這種偏轉情況發生的頻率可能會比原來想象的還要高,因為滿足偏轉條件的太陽風出現的概率,比行星際激波出現的概率高很多。

偶然而至的行星間激波將團隊的關注點引入到月球軌道的地球磁層偏轉上,但持續深入的研究,讓團隊發現了更大的秘密——

“我們也用另一種模型進行了結果的驗證。兩種不同的全球磁流體模擬結果都表明,月球位置上的磁尾偏轉主要受太陽風方向的控制,時間尺度約為半小時。”

摸清規律

可望為登月“播報”空間天氣預報

當地球“罩不住”月球的現象不再是個偶然事件,意味著它將有規律可循,并將成為月球空間天氣構成的重要組成部分。

研究月球空間天氣,將有望做到預報預警。

史全岐解釋,“基礎理論研究將根據數據的觀測和數值模擬結果構建模型。未來可以通過離太陽更近的衛星去監測這種偏轉,一旦偏轉現象發生,就可以馬上把信號傳遞給地面,人們就能立即經過模型分析,預測它到達月球后會使磁層偏轉到什么程度,如果偏轉很厲害,就可以最快在幾十分鐘前進行預警,通知月球上的設施趕緊關閉敏感儀器,宇航員馬上躲到掩蔽設施中去。”

“我們期望這一發現能夠在將來幫助改進月球輻射環境的動態模型,為月球上的各類活動提供一個安全緩沖期。”史全岐進一步表示,此外,太陽風的影響也會隨著月表環境和緯度的不同而變化,這可能會影響將來長期月表基地的選址、采礦作業等活動。而當太陽風質子與月球土壤發生反應時,水的合成也會發生,因此本工作也有助于我們更好地了解水在月球表面的沉積位置和方式,以供月球上人類所需和航天器燃料來源。

“空間天氣的預警預報很像地球上的天氣預報,所不同的是觀測對象,空間天氣需要追尋太陽風、粒子風暴和行星際電磁場等因素對空間造成的影響。”史全岐說,山東大學目前已經建立了月球輻射探測實驗室,除了進一步分析我國嫦娥四號探測器傳回來的月球空間環境數據之外,還將發展一些自主探測手段,希望將相關空間天氣的活動規律研究得更加清楚。

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