月球“尘暴”

    你知道月亮的背面是什么样子的吗？

    由于月球自转周期恰好等于公转周期，月球始终有一面背向地球，几千年来地面上的人们始终无缘得见月球背面的真容。1959年苏联发射的月球3号探测器在飞越月球时第一次拍下了月球背面的照片，此后几十年里人类对月球背面进行过多次遥感探测，包括中国嫦娥计划在内的多个探测器飞临月球背面，获得了大量数据，。

    嫦娥四号计划今年下半年发射，将在月球背面软着陆并巡视，中国探月将迈入新的阶段——对月球背面的原位探测，虽然时至今日月球背面已经不再神秘了，但是这样的原位探测在人类历史上还是第一次。

 图1 嫦娥二号拍摄的月球背面影像图

    此前玉兔号探测器顺利完成了月球正面的原位探测任务，然而月球背面环境与正面相比还有很多区别。其中，月球尘埃的侵袭就是必须面对的一个重要问题。月球的尘埃环境是怎样的？这要从阿波罗17号宇航员看到的发光现象说起。

 月球发出奇异的光

        1972年的一天，当阿波罗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。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。

图2 尤金•塞尔南对神秘发光现象的记录

 图3 勘测者7号月球探测器拍到的月球地平线上奇怪的发光

    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。阿波罗16号上的宇航员肯•马丁利做了相似的太阳大气观测，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，在阿波罗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，而阿波罗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）。

    其实这神奇的散射光来自月球“尘暴”。

 带电的月球“尘暴”

    月球表面覆盖着一层很厚的尘埃颗粒，是数亿年中月球表面反复受陨石撞击形成的，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。月尘颗粒非常细小，平均尺寸在45~100微米之间。直径小于1mm的月尘颗粒占月壤总质量的95%以上，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。

    月尘具有极强的吸附能力、材料磨损能力和穿透能力。细小的月尘会附着在执行出舱任务的航天员的航天服表面，被带回登月舱内部，甚至直接渗透进航天服中，对宇航员的健康产生极大损害。阿波罗计划的宇航员曾报告过登月舱内部漂浮着闪闪发光的月尘颗粒，这些尘埃引起了皮肤，眼睛和呼吸道的不适感。对于非载人的月球探测任务，月尘可能遮挡着陆器太阳能电池板，渗透进仪器内部，造成污染、磨损、故障甚至失效。阿波罗12号航天员在对Surveyor 3无人登陆器检查中发现，在月面停留2年多时间内Surveyor 3光学镜面被月尘覆盖并发生损伤。

图4 月球尘埃颗粒

    月尘的特性是由其携带的电荷造成的。月球表面没有大气和磁场的保护，长期遭受来自空间的等离子体轰击，其中热电子会在具有低介电系数和介电损耗月球尘埃颗粒上累积。在有光照的情况下，尘埃颗粒发射出的光电子会带走多余的负电荷，将月尘电位维持在几伏特左右。而在无光照条件下电子将在月尘颗粒上不断积累，可能使尘埃颗粒具有几百伏特至上千伏特的负电位。带电的尘埃粒子相互排斥漂浮在月球表面，在空间等离子体环境恶劣的情况下甚至能达到几十公里高度，形成名副其实的月球“尘暴”，对月球着陆任务的安全造成威胁。

    上文提到的月球地平线发光现象正是这些漂浮的尘埃颗粒对太阳光线的散射造成的。由于月球尘埃的漂浮高度与月球周围空间的等离子体环境有关，因此肯•马丁利没能捕捉到这种神秘的亮光。

图5 月球表面尘埃带电

 加强尘暴——与地球磁层的“约会”

    月球背阳面的“尘暴”等级受空间中的等离子体的影响，那么月球遭受的等离子体环境情况如何呢？

    大多数时间里，月球沉浸在太阳风等离子体环境中，其中的热电子通量并不高，月尘带电效应也不显著。然而在满月前后五天左右的时间内，月球会穿越太阳风在地球背阳面形成的长长腔体——地球磁尾。这一区域受太阳风和地球磁场的双重影响，等离子体环境更加复杂、恶劣，中心区域等离子体温度比太阳风高一到两个量级。在月球不受光照的背阳面，高通量的电子聚集在的尘埃颗粒上，可能使其电位达到负几千伏特，形成月球“加强尘暴”。

图6 月球穿越地球磁尾示意图

      位于月球背面的嫦娥四号着陆器在满月期间恰好处于背阳面。每当月球与地球磁层进行这几天短暂的“约会”，着陆器就会遭受地球磁尾带来的月球“加强尘暴”侵袭，同时着陆器本身也会经历复杂的电荷交换过程，势必会对它的探测活动造成影响。对于嫦娥四号着陆器来说，这既是一个挑战也是一个机遇。根据嫦娥三号任务获得的月球表面环境数据，研究人员可以更为准确地模拟月球尘埃对着陆器造成的影响，并进行一系列地面验证实验，最终改进嫦娥四号着陆器的防尘设计，以保障运行安全。

    月球表面最恶劣的环境是怎样的？月球背面尘埃在磁尾区域内会经历怎样的充放电过程？由于缺少原位探测，时至今日这依然是有待研究的课题。相信嫦娥四号的探测将带领我们探寻更多的未知。