磁层中的月球（艺术效果图），“地球风”由流动的氧离子(灰色)和氢离子(亮蓝色)组成，它们可以与月球表面反应产生水。月球75%以上的轨道都在太阳风（黄色）中度过，其余时间都被磁层阻挡（图片来源：E. Masongsong, UCLA EPSS, NASA GSFC SVS）
在美国实施阿波罗载人登月任务之前，基于太空中的极端天气和恶劣状况，科学家们都认为月球干燥如沙漠。然而在阿波罗计划之后，许多研究都发现了月球水，包括阴暗中的极地环形山里的冰、火山岩中结合的水，以及月球土壤中意想不到的铁锈沉积物。尽管有这些发现，科学家们仍未确认月球表面水的范围和来源。
主流理论认为，太阳风推动的带正电荷的氢离子轰击月球表面，自发反应生成水（以羟基（OH-）和分子（H2O）的形式）。然而，发表在《天体物理学杂志通讯》（Astrophysical Journal Letters）上的一项新的多国研究提出，太阳风可能不是水离子形成物质的唯一来源。研究人员发现，来自地球的粒子也可以给月球播种水。这意味着其他行星也可以为其卫星提供水。
Themis航空探测器（艺术效果图）（图片来源：NASA）
从火星表面到木星卫星、土星环、彗星、小行星和冥王星，水在太空中比天文学家最初想象的要普遍得多，甚至在太阳系以外的云层中也发现了水。以前人们认为水是在太阳系形成的过程中融入这些天体的，但越来越多的证据表明，太空中的水是动态变化的。虽然太阳风很可能是月球表面水的来源，但计算机模型预测，在满月的大约三天时间里，当月球经过地球磁层内时，高纬度地区应该有多达一半的水蒸发消失。
令人惊讶的是，“钱德拉安1号”(Chandrayaan-1)卫星的月球矿物学测绘仪 (Moon Mineralogy Mapper (M3)) 对地表羟基/水面图的最新分析显示，月球地表水并没有在这个磁层屏蔽期消失。早前研究人员认为地球的磁场阻挡了太阳风到达月球，因此水的再生速度不会快于水的消失速度，但现在他们发现情况并非如此。
研究人员通过比较磁层过境之前、期间和之后的水面图的时间序列，认为月球水可以通过磁层离子（也就是 “地球风”）的流动得到补充。这些来自地球的离子在月球附近的存在得到了辉夜 (Kaguya) 卫星的证实，而THEMIS-ARTEMIS卫星的观测则可以用来描绘太阳风中的离子与磁层地球风内的离子的明显特征。
此前辉夜卫星在满月期间观测到了高浓度的氧同位素，这些氧同位素从地球的臭氧层中泄漏出来，嵌入月球土壤中，同时在地球的巨大的延伸大气层（即外大气层）中也发现了大量的氢离子。这些磁层粒子的组合流动与太阳风中的粒子有着本质上的不同。因此，这项研究中最新探测到的地表水驳斥了磁层屏蔽假说，反而表明磁层本身就能创造出一座可以补充月球的“水桥”。
该研究由一个由宇宙化学、空间物理学和行星地质学等多学科专家组成的团队进行，以对数据进行专业分析。之前对地表水的解释没有考虑地球离子的影响，也没有研究地表水如何随时间变化。磁层满月期间仅有的地表图和粒子数据是在2009年冬季和夏季获得的，分析和解释结果花费了过去好几年的时间。由于观测数据稀少，分析工作特别困难。根本原因在于数据分析需要比较相同的月球表面条件随时间的变化，并控制温度和表面成分。
THEMIS航空探测器群（艺术效果图）（图片来源：ATK Space）
建立在这些发现的基础上，今后对太阳风和行星风的研究可以更全面地揭示太阳系中水的演变情况以及太阳和磁层活动对其他卫星和行星体的潜在影响。扩大这项研究需配备全面的羟基/水绘图光谱仪的新卫星。此外，卫星轨道和月球表面上需安装粒子传感器，以充分证实新发现的这一机制。上述工具可以帮助预测未来在月球上进行勘探、采矿和最终定居的最佳区域。实际上，这项研究结果还可以帮助设计即将到来的空间任务，以更好地保护人类和卫星免受粒子辐射的危害，并可以改进研究空间水形成的计算机模型和实验。
翻译：章宁
审校：黄薇
引进来源：物理学家组织网
本文来自：中国数字科技馆
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