證據顯示地球磁層可以在月球表面上產生水

在上世紀太陽神登陸月球之前，由於極端溫度和太空環境的惡劣性，人們認為月球是沙漠的干燥地。此後，許多研究發現了月球有水：在陰影極地環形山中的冰，火山岩中約束的水以及月球土壤中出現的生鏽鐵沉積物。儘管有這些發現，但仍沒有真正證實月球表面水的範圍或來源。

普遍的理論是，帶正電荷的氫離子推進由太陽風轟擊月球表面反應，產生以羥基OH-形式出現的水和水分子。但是，一項新的跨國研究顯示，太陽風可能不是形成水離子的唯一來源。研究人員發現，來自地球的粒子也可以將水注入月球，這意味著其它行星也可以為它們的衛星提供水份。

從火星表面到木星的衛星、土星環、彗星、小行星和冥王星，水的存在比天文學家最初認為的要普遍得多。它甚至在太陽系以外的雲塵中發現。以前曾假設在太陽系形成過程中將水合併到這些天體中，但是越來越多的證據顯示太空中的水俱有更大的流動性。儘管太陽風可能是月球地表水的來源，但電腦模型預測，這樣形成的水在滿月經過地球磁層後大約三天之內，高達一半會在高緯度地區蒸發並消失。

出乎意料的是，印度的月船一號（Chandrayaan-1）太空船的月球礦物製圖儀（Moon Mineralogy Mapper）對月球表面羥基/水面分佈圖的最新分析顯示，在磁層屏蔽期間，月球表面的水不會消失。人們認為地球磁場會阻止太陽風到達月球，因此水的再生不可能比喪失的更快，但研究人員發現情況並非如此。

通過比較月球穿越地球磁層之前、之中和之後的水面分佈圖時間序列，研究人員認為月球水可以通過磁層離子流（也稱為「地球風」）得到補充。日本輝夜姬號（Kaguya）太空船證實月球附近這些由地球衍生的離子存在，而西米斯衛星（Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms，縮寫為 THEMIS，暱稱 Themis）觀測則用於描繪太陽風與磁層地球風中離子的獨特特徵。

輝夜姫號先前在滿月期間進行的觀測，發現從地球臭氧層洩漏並嵌入月球土壤的高濃度氧同位素，以及在地球廣闊的外層大氣層中的大量氫離子、磁層粒子的這些組合流動與太陽風中的流動有根本的不同。因此，這項研究對地表水的最新檢測反駁了屏蔽假說，並暗示了磁層本身可以創造補充月球的「水橋」（water bridge）。

這項研究包括來自宇宙化學、太空物理學和行星地質學的多學科專家團隊來對數據進行背景分析。先前對地表水的解釋沒有考慮地球離子的影響，也沒有研究地表水如何隨時間變化。磁層滿月期間唯一可用的表面圖和粒子數據是在2009年冬季和夏季，並且過去的幾年花費了很多時間來分析和解釋結果。由於缺乏觀測，因此分析非常困難，因為觀測需要隨時間比較相同的月球表面狀況並控制溫度和表面成分。

根據這些發現，對太陽風和行星風的未來研究可以揭開更多有關我們太陽系中水的演變以及太陽和磁層活動對其它衛星和行星體的潛在影響。擴大這項研究將需要新的衛星配備全面的羥基/水測圖光譜儀，以及在軌道和月球表面的粒子傳感器，以充分確認這個機制。這些工具可以幫助預測最佳的區域，以便將來進行月球勘探，採礦和最終定居。實際上，這項研究可以影響即將到來的太空任務的設計，從而更好地保護人類和衛星免受粒子輻射的危害，並且還可以改善水的電腦模型和在太空建造的實驗室實驗項目。

【圖：加州大學洛杉磯分校；文：節譯自物理學機構網頁】研究全文刊登在2021年1月28日出版的《天體物理學快報》