月球發出奇異的光？竟然是來自月球「塵暴」……

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作者：孟雪潔

中國科學院國家空間科學中心空間環境研究預報室

你知道月亮的背面是什麼樣子的嗎？

由於月球自轉周期恰好等於公轉周期，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年蘇聯發射的月球3號探測器在飛越月球時第一次拍下了月球背面的照片，此後幾十年里人類對月球背面進行過多次遙感探測，包括中國嫦娥計劃在內的多個探測器飛臨月球背面，獲得了大量數據。

圖1 嫦娥二號拍攝的月球背面影像圖

嫦娥四號今年下半年將開展對月球背面的原位探測，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，然而月球背面環境與正面相比還有很多區別。其中，月球塵埃的侵襲就是必須面對的一個重要問題。月球的塵埃環境是怎樣的？這要從阿波羅17號宇航員看到的發光現象說起。

月球發出奇異的光

1972年的一天，當阿波羅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，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基礎上的。

塞爾南確實觀測到了太陽大氣發出的微弱的光芒，但是他也發現了一個奇異的現象：就在太陽升起前，月球地平線上出現了一道細長的新月狀的明亮光線，就像地球上日出和日落時地平線上出現的情景。地球上因為大氣中的水分和灰塵對太陽光線的散射造成地平線上的發光現象。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生碰撞。如此稀薄的大氣是不可能產生這樣的光線散射的。

圖2 尤金·塞爾南對神秘發光現象的記錄

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光

然而，更為奇異的是，月球地平線發光的現象並不是總能被觀測到。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光的現象（這也是他個人極大的遺憾）。同時，在阿波羅15和17號的日冕觀測照片上都能發現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象（這也與宇航員的說法吻合）。

其實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，是數億年中月球表面反覆受隕石撞擊形成的，主要由晶質顆粒與較大的火成岩碎塊﹑玻璃質碎片（包括大量的玻璃球粒）及微量金屬顆粒組成。月塵顆粒非常細小，平均尺寸在45~100微米之間。直徑小於1mm的月塵顆粒占月壤總質量的95%以上，大部分的顆粒都非常銳利和透明，類似於精細的礦渣或是火山灰。

月塵具有極強的吸附能力、材料磨損能力和穿透能力。細小的月塵會附著在執行出艙任務的航天員的航天服表面，被帶回登月艙內部，甚至直接滲透進航天服中，對宇航員的健康產生極大損害。

阿波羅計劃的宇航員曾報告過登月艙內部漂浮著閃閃發光的月塵顆粒，這些塵埃引起了皮膚，眼睛和呼吸道的不適感。對於非載人的月球探測任務，月塵可能遮擋著陸器太陽能電池板，滲透進儀器內部，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現，在月面停留2年多時間內Surveyor 3光學鏡面被月塵覆蓋並發生損傷。

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，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係數和介電損耗月球塵埃顆粒上累積。在有光照的情況下，塵埃顆粒發射出的光電子會帶走多餘的負電荷，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」現象。

而在月球的背陽面，因為沒有光照，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，在空間等離子體環境惡劣的情況下甚至能達到幾十公里高度，形成名副其實的月球「塵暴」，對月球著陸任務的安全造成威脅。

上文提到的月球地平線發光現象正是這些漂浮的塵埃顆粒對太陽光線的散射造成的。由於月球塵埃的漂浮高度與月球周圍空間的等離子體環境有關，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，那麼月球遭受的等離子體環境情況如何呢？

大多數時間裡，月球沉浸在太陽風等離子體環境中，其中的熱電子通量並不高，月塵帶電效應也不顯著。然而在滿月前後五天左右的時間內，月球會穿越太陽風在地球背陽面形成的長長腔體——地球磁尾。這一區域受太陽風和地球磁場的雙重影響，等離子體環境更加複雜、惡劣，中心區域等離子體溫度比太陽風高一到兩個量級。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，可能使其電位達到負幾千伏特，形成月球「加強塵暴」。

圖6 月球穿越地球磁尾示意圖

位於月球背面的嫦娥四號著陸器在滿月期間恰好處於背陽面。每當月球與地球磁層進行這幾天短暫的「約會」，著陸器就會遭受地球磁尾帶來的月球「加強塵暴」侵襲，同時著陸器本身也會經歷複雜的電荷交換過程，勢必會對它的探測活動造成影響。

對於嫦娥四號著陸器來說，這既是一個挑戰也是一個機遇。根據嫦娥三號任務獲得的月球表面環境數據，研究人員可以更為準確地模擬月球塵埃對著陸器造成的影響，並進行一系列地面驗證實驗，最終改進嫦娥四號著陸器的防塵設計，以保障運行安全。

結語

月球表面最惡劣的環境是怎樣的？月球背面塵埃在磁尾區域內會經歷怎樣的充放電過程？由於缺少原位探測，時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我們探尋更多的未知。

作者：孟雪潔中國科學院國家空間科學中心空間環境研究預報室

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