月球的大气、水和磁场——探索月球的奥秘

月球是人类登陆的第一个地外星球。从是否适于人类居住的角度来看，月球的大气、水和磁场分布一直是人们关心的话题。

1）月球的大气

月球表面的逃逸速度为2.38 km／s，比地球表面逃逸速度（11.2 km／s）小得多，因此，月球上的气体易逃逸到太空，月球大气就像真空实验室那样非常稀疏，几乎观测不出来，故常说月球几乎没有大气。但近年来在月球掩蟹状星云时，探测到后者的光线略被月球大气折射而弯曲；观测到个别陨击坑气体喷发，光谱分析证实有稀少气体存在。月球大气的来源包括微流星、太阳风和太阳辐射轰击球表面（“溅射”过程）而释放出的气体（钠和钾）；捕获太阳风的氦4He；月核和月幔内放射性物质衰变的氩40Ar、氡222Rn和钋210Po。飞船探测表明，月球表面的平均气压仅3×10-15bar（1 bar=105Pa），大气总质量低于10 t，且昼夜变化明显，昼大气的元素平均丰度（1 cm3内的原子数目）：氩40000、氦2000～40000、钠70、钾17、氢少于17，总计约80000个原子每立方厘米；黑夜则可达200000个原子每立方厘米。

绕月人造卫星“月船1号”在月球大气中发现存在有水蒸气，其含量随着月球纬度的不同而改变，水蒸气在纬度60°～70°处的含量最高。这些水蒸气可能是由月表岩屑的水冰升华而生成的。月球大气的气体有些被月球重力吸引而回到月表岩屑，有些由于太阳辐射压或者被太阳风电离而逃逸到太空。

2）月球的水

月球上是否有水是人们很关注的问题，尤其对于旅居和开发月球来说更为重要。过去的很多观测研究得到的初步结果是，月球的表面不存在液态水，而水蒸气会很快被太阳光分解并逃逸到太空。1971年3月7日，在阿波罗14号（Apollo 14）登月点附近月面的质谱仪观测到一系列水蒸气离子爆发，这是月球水汽的首次直接证据。1978年2月，科学家分析“月球24号”取回的月球样品的红外吸收谱，发现其含有约0.1%质量的水。1994年，克莱门汀探测器（Clementine，正式名称是Deep Space Program Science Experiment，DSPSE，意为外太空计划科学实验）的资料符合月球南极暗区（见图5-31）有14000 km2冰表面。1998年发射的“月球勘测者飞船”（Lunar Prospector）用中子谱仪测出月球的南、北极区月壤有过量氢，这可能是陨击坑内永久阴暗的月壤存在数米水冰、也可能是羟基（OH）所致。基于克莱门汀和月球勘测者的资料，如果真的存在水冰，推算总量为1～3 km3。

图5-31　月球南极区

2008年11月14日，印度的首颗绕月人造卫星“月船1号”释放月球撞击探测器，它撞击月球南极的苏梅克坑，分析所释放的碎屑显示存在水冰。2009年9月25日，美国宇航局宣布，搭载于“月船1号”的月球矿物测绘仪确证月球大面积存在氢，虽然其浓度很低且在化学上以羟基（OH）形式束缚于月土。2009年11月，美国宇航局报告，“月球坑观测和遥感卫星（LCROSS）”探测到撞击抛出物质中有显著数量的羟基，可以归属为含水矿物——似乎是“近于纯结晶水冰”，并且从喷出的羽状物质中至少检测到100 kg的水，另一个实验的数据显示，侦测到的水量近155 kg±12 kg，后来的分析得出：水浓度占质量的（5.6±2.9）%。2010年3月，“月船1号”的微型合成孔径雷达发现月球北极附近有40多个永久的暗坑，估计含6亿吨水冰。(www.xing528.com)

月球矿物测绘仪探测到月球表面反射的太阳光谱在2.8～3.0μm范围内有吸收特征，对于硅酸盐体，这样的特征典型地归属为含羟基或含水的矿物。这些分布广泛的吸收特征在较冷的高纬度和几个新鲜的长石质陨击坑显得最强。这些特征与中子谱仪的氢丰度资料缺乏普遍相关，提示OH和水的形成和保留是一种持续的表面过程。产生的OH和水可以迁移到处于永久阴影处的极区冷陷阱，并使月壤成为人类探索的挥发物候选源。月球科学家现在更加确信：水不仅锁定于矿物内，而且散布于破裂表面，在深处潜在有冰块或大片的冰。

月球上的水是由富集水冰的彗星、小行星和流星体经常陨落而带来的，或者太阳风的氢离子（质子）撞击原处含氧矿物而连续生成的。最近的细致分析发现，月球样品内有含水比例相当多的包裹体。总之，月球不仅表面有水，而且内部有足够的水，可以覆盖表面1 m深。

3）月球的磁场

飞船探测表明，月球有1～100 nT（纳特）的外部磁场，小于地球磁场的百分之一。地球的偶极磁场是地核的“磁流体发电机”产生的。月球几乎没有全球的偶极磁场，因而难以推测月核的状况。月球的磁性几乎完全起因于月壳，一般地说，月海的磁场很弱（小于50 nT）且磁化比高地均匀，高地（尤其背面高地）的磁场较强（常大于300 nT）。陨击坑是磁场最小之处，可能是陨击作用导致了退磁。月球样品的天然剩磁一般为600～3000 nT，最大达1.6×105nT，由此推算出40亿年前的月球磁场约1.3 Gs，36亿年前降为0.3 Gs。

月球磁场的成因尚无定论，若源自内部，则32亿年前月球应有对流的金属月核；但也有其他可能的成因，或太阳强磁场的磁化，或过去月球离地球近而被地球磁场所磁化；也可能是大型陨击事件产生瞬时磁场，其线索是月壳最大磁化区位于巨型陨击盆地的对趾区，例如，“月球1号”飞船测绘了危海对趾区（月球背面）的“微磁层”，其月面大小约360 km，太阳风流过此“微磁层”周围，造成300 km厚的增强等离子体流区域。

因受静电斥力而从月球表面抛出的细尘粒实际上是漂浮的，这就造成月球夜间的临时尘埃“大气”，它本身也得到一种模糊风。受全球电荷堆积差别的驱使，漂浮的尘自然地从很强的负电夜侧飞到很弱的正电昼侧，这种“尘暴”效应在昼夜界面最强。虽然其细节仍是推测的，但月球勘测者飞船在穿过磁尾期间，探测到月球夜侧电压变化，从-200 V跳到-1000 V。等离子片是动力学结构，处于经常运动状态，以致飞船经过“尾腔”（见图5-32）时，等离子片有很多时间袭击它，持续几分钟到几小时，甚至几天。

图5-32　太阳风直接流向月球表面，背后形成尾腔并填充太阳风等离子体