地球默默滋养月球长达数十亿年

乍看之下，月球显得毫无生机、静止不动。但它的表面或许隐藏着更复杂的故事。数十亿年来，地球大气的微小碎片很可能不断抵达月球并嵌入其土壤中。这些物质或许包含有朝一日能支持月球表面人类活动的成分。然而，直到最近，科学家们仍不确定这些粒子如何穿越如此遥远的距离，也不清楚这一过程已持续了多久。罗切斯特大学的研究人员如今报告称，地球磁场可能助力而非阻碍这种传输。他们发表在《自然·通讯-地球与环境》上的研究表明，被太阳风掀起的大气粒子可沿着地球磁场向外运动。由于这层磁屏蔽已存在数十亿年，它可能使得物质以缓慢但持续的方式在漫长时间里从地球转移到月球。物理学与天文学系教授、罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）杰出科学家埃里克·布莱克曼表示：‘通过将月壤中保存的粒子数据与太阳风如何与地球大气相互作用的计算模型相结合，我们能够追溯地球大气及其磁场的历史。’这些结果表明，月壤可能保存着地球大气的长期档案。它们还提出了一种可能性，即月球可能含有对未来在那里生活和工作的宇航员有价值的资源。阿波罗样本揭示了什么：20世纪70年代阿波罗任务期间收集的月球岩石和土壤是这项研究的核心。对这些样本的分析表明，月球表面被称为月壤（regolith）的表层含有水、二氧化碳、氦、氩和氮等挥发性物质。其中一些物质显然来自太阳风——太阳持续喷射出的带电粒子流。然而，所发现的数量，尤其是氮，大到无法仅用太阳风来解释。2005年，东京大学的科学家提出，这些挥发性物质的一部分源自地球大气。他们认为，这种传输只可能发生在地球历史早期，即地球形成磁场之前。他们的假设是，一旦磁场形成，就会阻止大气粒子逃逸到太空。罗切斯特团队得出了不同的结论。模拟从地球到月球的旅程：为了更好地理解大气粒子如何抵达月球，研究人员使用了先进的计算机模拟。该团队成员包括物理学与天文学系研究生、LLE的霍顿研究员舒布洪卡尔·帕拉马尼克，地球与环境科学系威廉·R·凯南 Jr. 教授约翰·塔杜诺，以及综合研究计算中心的计算科学家、物理学与天文学系助理教授乔纳森·卡罗尔-内伦巴克。他们的模拟测试了两种情况。一种代表早期地球，没有磁场且太阳风更强；另一种模拟现代地球，拥有强磁场且太阳风较弱。结果表明，在现代地球情景下，粒子向月球的传输效率要高得多。在这种情况下，太阳风会将带电粒子从地球高层大气中撞出。这些粒子随后会沿着地球的磁力线运动，其中一些磁力线延伸至太空足够远的地方，与月球轨道相交。数十亿年来，这一过程就像一个缓慢的漏斗，让少量地球大气沉降到月球表面。地球过去的记录与未来的资源：由于这种交换发生在如此漫长的时间尺度上，月球可能保存着地球大气历史的化学记录。研究月壤可为科学家提供新的视角，了解地球气候、海洋乃至生命本身在数十亿年间的演化过程。粒子的稳定输送还表明，月球可能含有比之前假设更多的有用物质。水和氮等挥发性元素有助于维持月球上的长期人类活动，减少从地球运送物资的需求，使未来的探索更加可行。帕拉马尼克说：‘我们的研究可能对理解火星等行星早期大气逃逸也有更广泛的意义。火星如今缺乏全球性磁场，但过去曾有一个与地球相似的磁场，且大气可能更浓厚。通过研究不同时期的行星演化与大气逃逸，我们可以深入了解这些过程如何塑造行星的宜居性。’这项研究部分得到了美国国家航空航天局（NASA）和美国国家科学基金会的资助。