編者按："浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索"，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設「Calling太空」科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。
月球微磁層概念、形成原理及意義
看到題目，大家可能會問什麼是月球微磁層，它又是如何產生的？在回答這個問題之前，我想先跟大家介紹地球磁層。
我們的太陽像一個大火球，它會不斷地往外噴射帶電的太陽風粒子，這些粒子的平均速度可達400公里/秒，而一般子彈速度只有0.4公里/秒，所以太陽風速度大概是子彈速度的1000倍，另外，太陽還會偶爾發發脾氣，在太陽風暴期間噴出一些更高速的帶電粒子，這些粒子會對衛星及人體健康帶來危害（比如晶片燒毀、通訊中斷以及對人體的輻射損傷等）。
幸運的是，我們地球有一個地磁場，它可以提供一個洛倫茲力，使得帶電的太陽風粒子在距離地球幾萬公里以外發生偏轉，從而不能進入地磁場區域，我們稱這樣一種受地磁場保護的區域為地球磁層。它就像一把保護傘保護著我們的地球，使地球上的生命得以免受來自太陽高速粒子的危害，使得我們人類得以繁衍生息。
如果地球沒有磁層這把保護傘會發生什麼呢？那時太陽風粒子將直接轟擊地球大氣，這就好比槍林彈雨落入水面，大量氣體都會被濺射出去，另外還有少部分氣體會被太陽光電離然後在太陽風電場加速作用下而逃逸，最終地球大氣將變得特別稀薄，液態水也將不復存在，現實中的一例子就是火星。
月表空間風化效應圖
如果地球連大氣也沒有了會發生什麼呢？那時地球將變得和月球一樣，來自太陽的高速粒子可以毫無障礙地轟擊地面，這些粒子除了少部分被地面反射回去，大部分都會打入地面以下。特別是一些高能粒子甚至可以打入地面幾米深，並引起地面物質各種物理和化學屬性的變化，我們成之為「空間風化」。月球正是因為這種空間風化效應，才在月表形成幾米厚的風化層。同時，這種風化作用也會對月面探測器以及人類活動帶來嚴重威脅。所以月球的空間環境是非常惡劣的，液態水和生命都不容易存在。
然而，月球是地球唯一的天然衛星，是人類最容易到達的地外天體，同時也蘊含著豐富的自然資源，如氦-3，氦-3是理想的核聚變材料，可為人類在太空生存提供清潔而安全的能源。因此，月球是未來人類進行太空移民的首選地。2021年3月9日，國家航天局對外發布了我國下一步探月計劃，明確提到了要建立國際月球科研站，致力於月球資源的和平利用和開發，未來更是要建立可供人類長期駐留的月球基地。但是，前面我們已經提到月球的空間環境非常惡劣，這將給我國未來的探月任務增添挑戰。
月球磁層保護月球科研站的假想圖
那麼月球上有沒有可能存在像地球磁層一樣的保護傘呢？如果有的話，將對未來建立月球科研站具有重要意義，因為它提供了一個天然的保護屏障，太陽風會被它偏轉而不能打到月面，如果把月球科研站建在月球磁層裡面，空間環境就要相對安全很多。
事實上，月球雖然沒有像地球一樣全球性的磁場，但是有不少零散分布的局部磁場，我們稱之為「磁異常」。這些磁異常主要分布在月球背面，而嫦娥四號任務正是著陸在月球背面磁異常區的邊緣上。磁異常是一種多極子，表現為一個個拱形的閉合磁力線，這就好比一個個小型的地磁場。當太陽風碰到這些小型的磁場時，也會發生與地球類似的情況，即太陽風粒子在磁場作用下發生偏轉和繞流，從而大大降低到達月面的太陽風通量，形成類似於地球磁層一樣的保護結構，由於它的尺度小我們稱它為微磁層或者迷你磁層。
與地球磁層不一樣的是，月球磁異常的強度和尺度要比地磁場小很多，因而它對一些高能帶電粒子的偏轉能力有限，這些粒子能夠穿透到更低高度，甚至在沒有完成螺旋運動之前就可能已經打到月面。因此，月球磁異常很難100%屏蔽掉太陽風。一般如果磁異常能屏蔽掉50%以上的太陽風，我們就認為產生了微磁層。
壓力平衡條件示意圖
那麼，到底多強的磁異常能產生微磁層呢？我們可以用壓力平衡條件來簡單判斷，大量太陽風粒子持續碰撞帶來的作用力可等效為一個動壓，磁場對太陽風的阻力可等效為一個磁壓，這就好比用力去推一個彈簧，太陽風的動壓是推力，磁場磁壓是彈簧的阻力，當太陽風動壓大於磁壓時，磁場就會被壓縮，相反，如果磁壓大於動壓，則磁場就會往外膨脹，當二者相等時，我們認為磁場擋住了太陽風並形成了微磁層。一般我們只需要50 nT的磁場就能抵擋住太陽風。50 nT是多強呢，我們地磁場在地面的強度約為50000 nT，也就是說地磁場即使減小1000倍仍然能阻擋太陽風到達地面。而月面一些強的磁異常區強度可大於100 nT，因此理論上這些區域都是可以產生的微磁層的。然而，現實中微磁層卻很難被觀測到，這又是為什麼呢？
原因在於，雖然一些磁異常在月面的強度可大於100 nT，但隨著高度升高，磁場強度會很快衰減沒了。之前人們只有繞月飛行衛星的觀測數據，這些數據均來自距離月面幾十公里甚至更遠的地方，當地的磁場強度已經不足以阻礙太陽風，所以很難觀測到微磁層，看到只是一些可能與微磁層有關的擾動（如激波結構），而不是真正磁場保護區。所以以往有關微磁層的觀測都只是一些間接證據，而不是直接測量。
月球微磁層的發現之路
嫦娥四號是人類首個著陸在月球背面的探測器，其著陸點位於月球背面強磁異常區的東部邊緣。同時，嫦娥四號月球車上搭載了中性原子探測儀，它可以測量太陽風打到月面反射回來的中性原子，利用測得的中性原子通量我們可以反推太陽風通量，再根據太陽風通量隨磁異常上下游位置的變化我們就能判斷是否有微磁層。因此，嫦娥四號任務為我們在月面直接觀測微磁層提供了良好機會。
嫦娥四號月球車上搭載的中性原子探測儀
嫦娥四號著陸點周圍的磁場大小分布
然而，我們的微磁層發現之路並不是一帆風順的，甚至可以說是意外之喜。為什麼這麼說呢，這裡展示了嫦娥四號著陸點周圍的磁場大小分布（如上圖所示），可以看到雖然著陸點西邊有一大片磁異常區，但是著陸點處的磁場強度是非常小的，只有幾個nT，根本不足以抵擋太陽風產生微磁層。所以在嫦娥四號任務初期論證的時候，科學目標里並沒有微磁層。當時，圍繞中性原子探測儀提的主要科學目標是研究太陽風與月面的相互作用。
微磁層這個想法一直是等到嫦娥四號返回觀測數據後才有的，當時是嫦娥四號科學團隊圍繞嫦娥四號第一次開機數據展開討論，發現中性原子探測儀測到的粒子通量特別低，換句話說可能什麼也沒看到，這多少讓人有些沮喪，因為如果什麼也沒看到就意味著什麼科學發現也沒有了。後面大家試圖去分析通量低的原因。張愛兵老師是中性原子探測儀的負責人，他經過分析認為儀器和數據本身沒有問題。李磊老師和我是做理論的，我們試圖從真實物理過程方面去分析，首先想到的就是微磁層。
微磁層大小與太陽風入射方向關係圖
這得益於我們以往的研究基礎。早在2015年的時候，我們就利用嫦娥二號觀測數據建立了首個月球微磁層全球數值模型，可以模擬月球微磁層的全球分布。通過模擬我們發現微磁層的大小與與太陽風的入射方向有關。當太陽風垂直入射時，磁場會受到太陽風的正面衝擊，相應的太陽風動壓最大，磁場會被壓縮的最厲害，不容易形成微磁層，而且即使形成了因為高度低而不容易被看到（如左下圖）。當太陽風斜入射時，相應的法向動壓會變小（因為太陽風動壓與入射角有一個cos函數的關係）。此時磁場更容易抵擋住太陽風而形成微磁層，而且通過模擬我們發現太陽風斜入射時產生的微磁層還會拖出一個長長的尾巴（如右下圖所示），稱作磁尾。
根據這個原理，我們認為雖然嫦娥四號著陸點處磁場強度比較弱，但是在其西邊就是月球最強的磁異常區，同時中性原子探測儀第一次開機時太陽風剛好是從西邊斜入射，即嫦娥四號位於磁異常區的下游，這樣如果西邊磁異常區產生了微磁層，嫦娥四號有可能位於微磁層的磁尾中。因為太陽風粒子被上游的磁異常擋住了，所以才測得粒子通量比較低。通過數值模擬，我們發現嫦娥四號確實是被包裹在微磁層的磁尾里，這就是第一次開機測得粒子通量低的原因。
月球微磁層模擬和觀測圖
後續的觀測數據進一步證實了我們的猜測，即每當太陽風從西邊吹過來時，中性原子探測儀測量到的通量都比較低（右下圖中紅色點），而當太陽風從東邊吹來時，由於東邊沒有磁異常的阻擋，測得的粒子通量就相對較高（右下圖中藍色點）。利用這些數據我們不僅證實了微磁層的存在，還對微磁層的形成條件以及內部結構進行了分析，這些結果大大提高了我們對於月球微磁層的認識，同時也為以後實施相關探測計劃提供了科學依據。
結語：
今天給大家介紹月球微磁層，一是希望大家了解太空並非真空而是充滿著各種危機，太空生命存在的條件除了液態水還應該還要有磁場保護。二是想讓大家知道有我們這樣一批人，在仰望星空，關注著太空裡的風雲變幻，為我國的太空探測計劃保駕護航。
跟大家分享我們微磁層的發現之路。是希望大家體會到科研工作往往不是一帆風順的，更多的是困難和挫折，有時候也需要一定的運氣。但是，機遇總是留給有準備之人，如果我們沒有之前有關微磁層的研究基礎，也就不會在看到數據異常後很快就跟微磁層聯繫起來。希望未來有志向從事科學研究的青年人能夠始終保持好奇之心去探索大自然，同時也要腳踏實地，做個有準備之人！
文章根據中央廣播電視總台央視科教頻道《實驗現場》欄目2021年全國科普日大型科學實驗直播秀《奮進吧！科學少年》視頻整理，文章作者系視頻欄目主講人。
來源：中國科學院國家空間科學中心