月表环境与等离子体

　　 月球，俗称月亮，是环绕地球运行的一颗卫星。它是地球唯一的一颗天然卫星，也是离地球最近的天体（与地球之间的平均距离是384400千米）。月球是被人们研究得最彻底的天体。人类至今第二个亲身到过的天体就是月球。1969年尼尔•阿姆斯特朗和巴兹•奥尔德林成为最先登陆月球的人类。我们肉眼所见的月亮表面上“波澜不惊”，似乎是一个寂静的世界。然而，月表环境与空间环境中的等离子体不断发生着相互作用。

月表的等离子体环境

　　
　　月球处于日地行星际空间中，遭遇到的等离子体主要是太阳风等离子体和地球磁尾等离子体。由于月球没有地球那样稠密的大气和全球内禀磁场,太阳风等离子体几乎可以直接作用于月球表面。早期人们认为月球只是简单的吸收和阻挡太阳风等离子体。经过人类长时间以来的探测和研究表明,月球表面由于太阳风与月表的相互作用,存在着一个比人们想象要复杂多的月表环境。

等离子体与月表相互作用示意图

　　当太阳发生日冕物质抛射事件时，巨大的等离子体团就如同喷沙机一样击打着月球，它们很容易把表面的不稳定物质带走。模型预测，在典型的两天日冕物质抛射过程中，月球表面将丧失100到200吨的物质——相当于10辆货车的装载量。

　　当气体受到强烈的热量和剧烈的辐射，电子就被剥离，原子则变成了离子。这个过程叫做电离，由此诞生物质的第四种形态——等离子态。太阳强劲的辐射正是激发了周围的气体，产生了包含等离子体带电粒子流的太阳风。当这些等离子体驱逐某一表面的原子，这个过程叫做“溅射”。

　　等离子体溅射是在正常太阳条件下产生月球逃逸层的五个过程之一，但根据模型预测，当发生日冕物质抛射，溅射便成为主导因素，其效果是其他因素的50倍。研究人员们坚信，强烈的等离子体溅射现象会把月球表面的原子送上20-50公里的高度。

炽热的等离子体

　　
　　太阳风等离子体的温度（5-30eV）相对较低，不足以引起月球表面的高充电。磁尾等离子体温度高（100eV-2keV）可能会引起月球表面的高充电。NASA表示，满月时，月球会处于地球磁尾中。磁尾中的热等离子体可能会引起月球尘暴和静电释放。
　　
　　参与NASA月球勘测轨道器（Lunar Reconnaissance Orbiter）任务的研究人员发现，地球的磁尾可能会伤害未来月球上的太空人（磁尾中心附近的等离子体温度在一千万度左右）。根据研究人员的报告，在每个月的满月期间，月球会有6天处在地球磁尾的范围内，可能会激起月球表面的灰尘暴和引起强静电流。到目前为止，这纯粹是理论推测，因为还没有登陆月球的人遭到磁尾袭击。阿波罗登月任务中的宇航员从来没有在满月期间登上月球，所以他们从来没有身着宇航服处于磁尾之中的经历。
　　
　　美国宇航局很久以来一直关心这些由热等离子体引起的带电粒子和月球尘埃对宇航员、生活场所和机械设备会有什么影响。而今，美国宇航局正在制定计划来探测月球尘埃的奥秘所在。并且将于2013年发射一颗“月球大气和尘埃环境探测器”（Lunar Atomsphere and Dust Environment Explore, LADEE），专门用来探索这些问题。

研制中的LADEE

“漂浮”的月尘

　　
　　月尘即月球表面覆盖的尘土。这些尘土主要是月球形成过程中由陨石体反复撞击产生的未黏接的颗粒物质，主要由晶质颗粒与较大的火成岩碎块﹑玻璃质碎片（包括大量的玻璃球粒）及微量金属颗粒组成。

月尘示意图

　　“在从月球起飞后，舱内会漂浮着大量的月尘。如果没有头盔，这些灰尘将会造成呼吸困难。而且，这些灰尘干扰了我们的视线。即使用小笤帚也不能很好的解决这个问题，因为这些灰尘已经黏住衣服，很难清除。”Apollo宇航员关于月尘的评价。
　　
　　月表土壤的颗粒尺度就像地球表面的细沙，平均尺寸在45~100微米之间。大部分的颗粒都非常锐利和透明,类似于精细的矿渣或是火山灰。这种物质具有低介电系数和介电损耗，并且在太阳紫外辐射下会收集电荷。在月表阴暗交界处产生的UV通量的梯度造成了由静电造成的月尘云并且跟随阴暗交界一起移动。
　　
　　月尘堆积和吸附在仪器设备上已经被证实，是Apollo 12登月舱在2年半后在Surveyor 3无人登陆器附近183米处，通过检测和发现Surveyor 3无人登陆器后得到的结论。涂层和铝制部件由于太阳辐射而产生的变色也正如预期的那样。然而，月尘的堆积和吸附要远大于最初估计的结果。很多的月尘堆积是由于登月舱降落时排放的气体造成的喷沙效应，Surveyor 3无人登陆器的光学镜面被月尘覆盖并损伤。
　　
　　在月球背面，这种尘埃粒子会强烈到阻碍机器正常运行，甚至擦伤宇航员的工作面板。由于其所带电荷存在极大差异，会导致尘埃粒子从带负电的月球背面飞越到带负电较少的月球阳面，在日出和日落的月球区域形成最强大的粒子流。
　　

神奇的发光现象

　　
　　在某次任务中，当Apollo-17号处在月球背阳面的轨道上，太阳还在月球的地平线之下时，宇航员尤金•塞尔南正在观测太阳大气。这种观测是建立在月球完全挡住了太阳自身明亮的光线，而使太阳大气微弱的光线变得更明亮的假设基础上的。
　　
　　塞尔南确实观测到了太阳大气发出的微弱的光芒，但是他也发现了一个奇异的现象：就在太阳升起前，月球地平线上出现了一道细长的新月状的明亮光线，就像地球上日出和日落时地平线上出现的情景是一样的。地球上因为大气中的水分和灰尘对太阳光线的散射造成地平线上的发光现象。而月球上几乎没有大气，或者说月球大气非常稀薄，甚至气体分子之间极少发生碰撞。如此稀薄的大气是不可能产生这样的光线散射的。
　　
　　然而，更为奇异的是，月球地平线发光的现象并不是总能被观测到。Apollo-16号上的宇航员肯•马丁利做了相似的太阳大气的观测，但是没有观测到月球地平线发光的现象（这也是他个人极大的遗憾）。同时，在Apollo-15和17号的日冕观测照片上都能发现月球地平线特别的明亮，而Apollo-16号的日冕观测照片上却找不到同样的现象（这也与宇航员的说法吻合）。

Surveyor 7拍到的月球地平线上奇怪的发光

　　
　　其实，这种神秘的发光现象是由磁尾的热等离子体引起的。地球的磁尾在地球的背阳面延伸至很远的距离。在满月期间，月球轨道就会穿越地球的磁尾，结果就可能会导致出现月球尘暴和静电放电。而在月球背面，来自磁尾的热等离子体会使月球表面达到几千伏的负电势。根据电荷的同性相斥原理，月球表面带电的尘埃粒子将会相互排斥，而唯一没有被阻挡的方向就是正上方。正是这些漂浮的尘埃粒子对太阳光线的散射造成了神秘的月球地平线发光的现象。