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重磅 | NASA报道山大空间科学团队联合科研成果:月球在满月期间可能脱离地球磁场的保护 精选

已有 1403 次阅读 2020-7-2 14:49 |系统分类:论文交流| 期刊推荐, 空间科学, 月球, Wiley


近日,山东大学空间科学团队成员联合国内外多个单位科研人员,发现月球在满月期间可能脱离地球磁场的保护,暴露于高能太阳粒子的辐射风险之中。相关研究成果发表在JGR Space Physics上。美国宇航局(NASA)以“发现月球暴露于太阳辐射的新模式(NASA Spacecraft Helps Identify Solar Radiation Patterns That Expose the Moon)”1为题对这一工作进行了报道,指出其可为人类登月活动提供月球辐射环境方面的重要参考。

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地球磁层(图中深色部分)被太阳风吹偏后,月球直接暴露于太阳风中的艺术效果图

资料来源:Shang et al. [2020];图片绘制:加州大学洛杉矶分校Emmanual Masongsong


皎皎满月悬挂夜空,熠熠生辉,让人充满无限遐想,而月球周围每时每刻都发生着很多我们肉眼看不见的物理和化学过程。同时,我们的太阳不仅提供着生命之光,还不断地喷射出大量的高速粒子流(太阳风),充满整个太阳系,其中不时有一些较高能量粒子的爆发,可能导致航天器的传感器和其他电子器件设备发生故障,更糟糕的是,它们还可使宇航员面临致癌的风险。由于月球没有大气和磁场的保护,在月球公转周期的四分之三时间里,太阳风中的质子、电子以及高能粒子会直达月球表面,而在剩余的四分之一时间(包含满月阶段),月球会进入地球的磁保护伞——磁层(或者说磁尾,即被太阳风拉伸后的地球磁场),这个保护伞能够对高能粒子起到一定的屏蔽作用。先前的一些模拟工作已表明,在满月期间,因为磁层的这种保护作用,运行在月球轨道上的航天器和在月面上活动的航天员会相对安全。

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在通常的太阳风条件下(上图)、以及偏离日地连线的太阳风条件下(下图),月相和磁层的位置。

资料来源:Shang et al. [2020]

图片来源:史全岐,郭鹏程等

 

然而,最近山东大学空间科学团队成员联合中科院、北大、美国加州大学洛杉矶分校、英国伦敦大学学院、卢瑟福实验室等国内外多个单位的科研人员,利用美国宇航局THEMIS-ARTEMIS月球轨道探测器2,发现在一个行星际激波通过后太阳风发生了大幅度转向,导致磁层在月球轨道处产生大幅度的偏转:磁尾就像被风吹拂的“风向袋”一样摇摆,使位于满月期间的月球直接暴露于地球磁鞘——即被加热和压缩了的太阳风——之中,脱离了地球磁层的保护,这时位于月表的宇航员和基地设施无法受到地球磁场的有效屏蔽,增大了被高能太阳粒子辐射的风险。就像生活中,在伴随着阵风的大雨中,即使人们站在伞下,雨水也可以从侧面被风吹过来将人打湿,而有时候冰雹会从暴风雨中落下并危及人类的生命和财产安全,太阳时而爆发的高能粒子就像这些冰雹。

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当太阳风吹起时,地球的磁层会在微风中飘动。当太阳风足够强大时,可以使月球暴露在粒子辐射之下。

动画:Genna Duberstein/ADNET

 

类似本研究发现的这种磁层偏转现象早在1972年就被预测到,但当时和后续研究都认为这种大幅度的偏转主要发生在距离地球很远的地方,如三倍的地月距离上。而在本工作中,科学家们不仅在月球轨道上发现激波之后太阳风转向导致磁层的明显偏转,还通过数值模拟计算揭示,只要太阳风有明显的转向,即使没有行星际激波,磁层也会发生相应的偏转,因此这种情况发生的频率可能会比我们想象的还要高

这一发现有望在将来帮助改进月球辐射环境的动态模型,即利用上游太阳风的卫星观测提前获知偏转信息,可在危险的太阳高能粒子到达前约三十分钟内进行预警,让宇航员和敏感仪器提前规避,为月球上的各类活动提供一个安全缓冲期。


此外,太阳风的影响也会随着月表环境和纬度的不同而变化,这可能会影响将来长期月表基地的选址、采矿作业等活动。而当太阳风质子与月球土壤发生反应时,水的合成也会发生,因此本工作也有助于我们更好地了解水在月球表面的沉积位置和方式,以供月球上人类所需和航天器燃料来源。

 

加州大学洛杉矶分校、THEMIS-ARTEMIS项目首席科学家Vassilis Angelopoulos教授指出:“在我们将宇航员送回月球进行长时间的活动之前,了解月球周围空间天气的动态变化是至关重要的。关于这些,目前还有许多科学和安全问题需要解决。

 

美国宇航局网站指出,美国的“阿提弥斯”计划(Artemis计划3,和上文中月球环境探测的ARTEMIS为不同计划)准备在2024年之前发送载荷设备和载人登月飞船,以图重返月球,因此详细了解月球空间的粒子辐射环境至关重要,而目前的月球空间环境探测可以帮助科学家和工程师更好地了解这些情况。我国近年来也成功实施了一系列探月计划,因此本工作也有望对我国将来建设月球基地和实施载人登月等任务提供重要的参考。

 

扩展阅读:

1. NASA Spacecraft Helps Identify Solar Radiation Patterns That Expose the Moon:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/NASA-Spacecraft-Helps-Identify-Solar-Radiation-Patterns-That-Expose-the-Moon

2. THEMIS and ARTEMIS: 

https://www.nasa.gov/themis-and-artemis

3. Artemis: 

https://www.nasa.gov/specials/artemis/

 

论文信息:

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原文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JA027401

 

作者信息:

第一作者

商文赛 

山东大学博士研究生

通讯作者

史全岐 

山东大学空间科学与物理学院教授

空间科学研究院磁层和太阳风相互作用课题组长

国内其他主要合作者

唐斌斌 中国科学院国家空间科学中心 副研究员

田安民Alex W. Degeling 山东大学空间科学与物理学院 教授

尧中华 中科院地质与地球物理研究所 研究员

傅绥燕濮祖荫 北京大学地球与空间科学学院 教授

吕建永 南京信息工程大学空间天气研究所 教授

王明 南京信息工程大学空间天气研究所 副教授

 

本工作受到国家基金委面上项目、国际合作项目,国家重点实验室开放课题以及英国皇家学会牛顿高级学者等基金的支持。


山东大学磁层和太阳风相互作用课题组常年聚焦于地球和月球及其它行星的空间环境,一直注重国际合作,近年来取得了一系列进展,成员获得了多个重要的国内和国际奖项,并于近期组建了空间辐射探测实验室,致力于获得一手探测数据并据此发掘原创性成果,同时努力承担国家相关任务,力争在空间辐射环境的预警和防护方面为我国地球和深空探测活动做出一定的贡献。


(本文资料提供:山东大学 田安民)

 

关于期刊

JGR Space Physics发表空间科学领域中新的原创研究成果,包括高层大气物理学、磁层物理学、行星环境、电离层和磁层、太阳和行星际物理学、宇宙射线以及日光层物理学等。期刊欢迎任何探讨空间科学和太阳系其他构成要素之间相互关系的研究成果,也欢迎多学科和系统级的科学报告。


2019年影响因子:2.80

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