月球的電離層之 謎

■ 吳雨霖

沒(méi)有大氣層的世界，怎么會(huì)有電離層？別懷疑，月球就是有辦法做到！研究月球的科學(xué)家對(duì)于月球?yàn)楹螘?huì)有電離層已經(jīng)傷透了腦筋，但是現(xiàn)在，這個(gè)問(wèn)題或許有了答案。

首先來(lái)談?wù)労沃^電離層。電離層是大氣層被太陽(yáng)射線電離的部分，它是磁層的內(nèi)界。每個(gè)有大氣層的類地行星都有電離層。在這些巖質(zhì)行星的上空，大氣與太空的交界處，來(lái)自太陽(yáng)的紫外輻射將空氣分子游離化，使得此處充滿帶電氣體，這就是電離層。在電離層中，陽(yáng)光電離大氣分子與離子重新捕獲自由電子的過(guò)程平衡。一般來(lái)說(shuō)高度越高大氣約稀薄，則電離過(guò)程約占上風(fēng)。在地球上，電離層對(duì)通訊和航行很重要。例如：電離層可反射無(wú)線電波，使地面上的短波電臺(tái)將信息傳遞到很遠(yuǎn)的另一個(gè)接收站內(nèi)。電離層也會(huì)彎曲或散射來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)，有時(shí)會(huì)讓你的GPS出錯(cuò)，沒(méi)偵測(cè)到正確的位置信息。

20世紀(jì)70年代，俄羅斯的“月球19”號(hào)和“月球22”號(hào)宇宙飛船首度偵測(cè)到月球電離層的證據(jù)。當(dāng)它們以貼近月表的軌道環(huán)繞月球時(shí)，飛船感應(yīng)到有帶電物質(zhì)散布在離月表數(shù)十千米高的地方，帶電物質(zhì)密度最多可達(dá)每立方厘米1000個(gè)電子的程度，大約是任何理論可解釋的1000倍以上。在月球掩過(guò)遙遠(yuǎn)電波源的過(guò)程中，電波信號(hào)穿過(guò)月球邊緣的瞬間，電波天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)月球電離層存在的證據(jù)。

“月球沒(méi)有大氣層”這個(gè)事實(shí)，與“月球具有電離層”這個(gè)現(xiàn)象相互矛盾，深深困擾月球科學(xué)家。然而，或許月球也不是完全沒(méi)有大氣層呢！月球內(nèi)部放射性元素衰變過(guò)程中所釋出的氣體有部分滲至月表；流星體和太陽(yáng)風(fēng)也會(huì)為月表帶來(lái)一些原子。但是，這些方式帶來(lái)的氣體都非常稀薄，許多研究學(xué)者拒絕承認(rèn)這叫做月球大氣層，因?yàn)檫@個(gè)月球外氣層的密度只有地球的1/1017，根本不足以解釋月球電離層的濃度。

40年過(guò)去了，有關(guān)月球電離層的謎題有了一個(gè)不一樣的解答。戈達(dá)德太空飛行中心的蒂姆·斯塔布于2011年年年初提出他的看法：可能是月塵惹的禍！年僅30的斯塔布，在發(fā)現(xiàn)月球電離層時(shí)甚至還沒(méi)出生呢！但是，他在研讀“阿波羅15”號(hào)航天員的記錄時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一段提到他們看到月球地平線上空有片奇異的光輝，許多研究人員認(rèn)為這些航天員看到的應(yīng)該是月塵。月表是個(gè)極度充滿塵埃的環(huán)境，這些懸浮的塵粒會(huì)散射日出時(shí)或日落時(shí)的陽(yáng)光，在月球地平線附近形成曙光或暮光。

斯塔布和他的同事們發(fā)現(xiàn)，月表上空飄浮的塵粒可以為電離層提供答案，太陽(yáng)光的紫外線同時(shí)射向了電離層和浮塵，而塵粒會(huì)被太陽(yáng)的紫外輻射游離。根據(jù)他們的計(jì)算，這種游離過(guò)程足以提供足夠的帶電粒子（陽(yáng)性顆粒周圍的負(fù)電子），從而形成所觀測(cè)到的電離層。

電離層是由塵粒所形成的，而非氣體所構(gòu)成，這對(duì)行星科學(xué)研究而言，是個(gè)非常新穎的點(diǎn)子。沒(méi)人知道這種現(xiàn)象在月表上有無(wú)晝夜的區(qū)別，或是會(huì)否隨著太陽(yáng)活動(dòng)周期而變化，甚至?xí)粫?huì)影響到未來(lái)在月球表面進(jìn)行的電波通訊與航行的工作。美國(guó)航空航天局目前正在繞月飛行的ARTEMIS探測(cè)器，以及計(jì)劃在2013年發(fā)射的LADEE宇宙飛船，或許可以解答這已懸宕了40年的謎題。