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月球微磁层概念、形成原理及意义
看到题目，大家可能会问什么是月球微磁层，它又是如何产生的？在回答这个问题之前，我想先跟大家介绍地球磁层。
我们的太阳像一个大火球，它会不断地往外喷射带电的太阳风粒子，这些粒子的平均速度可达400公里/秒，而一般子弹速度只有0.4公里/秒，所以太阳风速度大概是子弹速度的1000倍，另外，太阳还会偶尔发发脾气，在太阳风暴期间喷出一些更高速的带电粒子，这些粒子会对卫星及人体健康带来危害（比如芯片烧毁、通讯中断以及对人体的辐射损伤等）。
幸运的是，我们地球有一个地磁场，它可以提供一个洛伦兹力，使得带电的太阳风粒子在距离地球几万公里以外发生偏转，从而不能进入地磁场区域，我们称这样一种受地磁场保护的区域为地球磁层。它就像一把保护伞保护着我们的地球，使地球上的生命得以免受来自太阳高速粒子的危害，使得我们人类得以繁衍生息。
如果地球没有磁层这把保护伞会发生什么呢？那时太阳风粒子将直接轰击地球大气，这就好比枪林弹雨落入水面，大量气体都会被溅射出去，另外还有少部分气体会被太阳光电离然后在太阳风电场加速作用下而逃逸，最终地球大气将变得特别稀薄，液态水也将不复存在，现实中的一例子就是火星。
月表空间风化效应图
如果地球连大气也没有了会发生什么呢？那时地球将变得和月球一样，来自太阳的高速粒子可以毫无障碍地轰击地面，这些粒子除了少部分被地面反射回去，大部分都会打入地面以下。特别是一些高能粒子甚至可以打入地面几米深，并引起地面物质各种物理和化学属性的变化，我们成之为“空间风化”。月球正是因为这种空间风化效应，才在月表形成几米厚的风化层。同时，这种风化作用也会对月面探测器以及人类活动带来严重威胁。所以月球的空间环境是非常恶劣的，液态水和生命都不容易存在。
然而，月球是地球唯一的天然卫星，是人类最容易到达的地外天体，同时也蕴含着丰富的自然资源，如氦-3，氦-3是理想的核聚变材料，可为人类在太空生存提供清洁而安全的能源。因此，月球是未来人类进行太空移民的首选地。2021年3月9日，国家航天局对外发布了我国下一步探月计划，明确提到了要建立国际月球科研站，致力于月球资源的和平利用和开发，未来更是要建立可供人类长期驻留的月球基地。但是，前面我们已经提到月球的空间环境非常恶劣，这将给我国未来的探月任务增添挑战。
月球磁层保护月球科研站的假想图
那么月球上有没有可能存在像地球磁层一样的保护伞呢？如果有的话，将对未来建立月球科研站具有重要意义，因为它提供了一个天然的保护屏障，太阳风会被它偏转而不能打到月面，如果把月球科研站建在月球磁层里面，空间环境就要相对安全很多。
事实上，月球虽然没有像地球一样全球性的磁场，但是有不少零散分布的局部磁场，我们称之为“磁异常”。这些磁异常主要分布在月球背面，而嫦娥四号任务正是着陆在月球背面磁异常区的边缘上。磁异常是一种多极子，表现为一个个拱形的闭合磁力线，这就好比一个个小型的地磁场。当太阳风碰到这些小型的磁场时，也会发生与地球类似的情况，即太阳风粒子在磁场作用下发生偏转和绕流，从而大大降低到达月面的太阳风通量，形成类似于地球磁层一样的保护结构，由于它的尺度小我们称它为微磁层或者迷你磁层。
与地球磁层不一样的是，月球磁异常的强度和尺度要比地磁场小很多，因而它对一些高能带电粒子的偏转能力有限，这些粒子能够穿透到更低高度，甚至在没有完成螺旋运动之前就可能已经打到月面。因此，月球磁异常很难100%屏蔽掉太阳风。一般如果磁异常能屏蔽掉50%以上的太阳风，我们就认为产生了微磁层。
压力平衡条件示意图
那么，到底多强的磁异常能产生微磁层呢？我们可以用压力平衡条件来简单判断，大量太阳风粒子持续碰撞带来的作用力可等效为一个动压，磁场对太阳风的阻力可等效为一个磁压，这就好比用力去推一个弹簧，太阳风的动压是推力，磁场磁压是弹簧的阻力，当太阳风动压大于磁压时，磁场就会被压缩，相反，如果磁压大于动压，则磁场就会往外膨胀，当二者相等时，我们认为磁场挡住了太阳风并形成了微磁层。一般我们只需要50 nT的磁场就能抵挡住太阳风。50 nT是多强呢，我们地磁场在地面的强度约为50000 nT，也就是说地磁场即使减小1000倍仍然能阻挡太阳风到达地面。而月面一些强的磁异常区强度可大于100 nT，因此理论上这些区域都是可以产生的微磁层的。然而，现实中微磁层却很难被观测到，这又是为什么呢？
原因在于，虽然一些磁异常在月面的强度可大于100 nT，但随着高度升高，磁场强度会很快衰减没了。之前人们只有绕月飞行卫星的观测数据，这些数据均来自距离月面几十公里甚至更远的地方，当地的磁场强度已经不足以阻碍太阳风，所以很难观测到微磁层，看到只是一些可能与微磁层有关的扰动（如激波结构），而不是真正磁场保护区。所以以往有关微磁层的观测都只是一些间接证据，而不是直接测量。
月球微磁层的发现之路
嫦娥四号是人类首个着陆在月球背面的探测器，其着陆点位于月球背面强磁异常区的东部边缘。同时，嫦娥四号月球车上搭载了中性原子探测仪，它可以测量太阳风打到月面反射回来的中性原子，利用测得的中性原子通量我们可以反推太阳风通量，再根据太阳风通量随磁异常上下游位置的变化我们就能判断是否有微磁层。因此，嫦娥四号任务为我们在月面直接观测微磁层提供了良好机会。
嫦娥四号月球车上搭载的中性原子探测仪
嫦娥四号着陆点周围的磁场大小分布
然而，我们的微磁层发现之路并不是一帆风顺的，甚至可以说是意外之喜。为什么这么说呢，这里展示了嫦娥四号着陆点周围的磁场大小分布（如上图所示），可以看到虽然着陆点西边有一大片磁异常区，但是着陆点处的磁场强度是非常小的，只有几个nT，根本不足以抵挡太阳风产生微磁层。所以在嫦娥四号任务初期论证的时候，科学目标里并没有微磁层。当时，围绕中性原子探测仪提的主要科学目标是研究太阳风与月面的相互作用。
微磁层这个想法一直是等到嫦娥四号返回观测数据后才有的，当时是嫦娥四号科学团队围绕嫦娥四号第一次开机数据展开讨论，发现中性原子探测仪测到的粒子通量特别低，换句话说可能什么也没看到，这多少让人有些沮丧，因为如果什么也没看到就意味着什么科学发现也没有了。后面大家试图去分析通量低的原因。张爱兵老师是中性原子探测仪的负责人，他经过分析认为仪器和数据本身没有问题。李磊老师和我是做理论的，我们试图从真实物理过程方面去分析，首先想到的就是微磁层。
微磁层大小与太阳风入射方向关系图
这得益于我们以往的研究基础。早在2015年的时候，我们就利用嫦娥二号观测数据建立了首个月球微磁层全球数值模型，可以模拟月球微磁层的全球分布。通过模拟我们发现微磁层的大小与与太阳风的入射方向有关。当太阳风垂直入射时，磁场会受到太阳风的正面冲击，相应的太阳风动压最大，磁场会被压缩的最厉害，不容易形成微磁层，而且即使形成了因为高度低而不容易被看到（如左下图）。当太阳风斜入射时，相应的法向动压会变小（因为太阳风动压与入射角有一个cos函数的关系）。此时磁场更容易抵挡住太阳风而形成微磁层，而且通过模拟我们发现太阳风斜入射时产生的微磁层还会拖出一个长长的尾巴（如右下图所示），称作磁尾。
根据这个原理，我们认为虽然嫦娥四号着陆点处磁场强度比较弱，但是在其西边就是月球最强的磁异常区，同时中性原子探测仪第一次开机时太阳风刚好是从西边斜入射，即嫦娥四号位于磁异常区的下游，这样如果西边磁异常区产生了微磁层，嫦娥四号有可能位于微磁层的磁尾中。因为太阳风粒子被上游的磁异常挡住了，所以才测得粒子通量比较低。通过数值模拟，我们发现嫦娥四号确实是被包裹在微磁层的磁尾里，这就是第一次开机测得粒子通量低的原因。
月球微磁层模拟和观测图
后续的观测数据进一步证实了我们的猜测，即每当太阳风从西边吹过来时，中性原子探测仪测量到的通量都比较低（右下图中红色点），而当太阳风从东边吹来时，由于东边没有磁异常的阻挡，测得的粒子通量就相对较高（右下图中蓝色点）。利用这些数据我们不仅证实了微磁层的存在，还对微磁层的形成条件以及内部结构进行了分析，这些结果大大提高了我们对于月球微磁层的认识，同时也为以后实施相关探测计划提供了科学依据。
结语：
今天给大家介绍月球微磁层，一是希望大家了解太空并非真空而是充满着各种危机，太空生命存在的条件除了液态水还应该还要有磁场保护。二是想让大家知道有我们这样一批人，在仰望星空，关注着太空里的风云变幻，为我国的太空探测计划保驾护航。
跟大家分享我们微磁层的发现之路。是希望大家体会到科研工作往往不是一帆风顺的，更多的是困难和挫折，有时候也需要一定的运气。但是，机遇总是留给有准备之人，如果我们没有之前有关微磁层的研究基础，也就不会在看到数据异常后很快就跟微磁层联系起来。希望未来有志向从事科学研究的青年人能够始终保持好奇之心去探索大自然，同时也要脚踏实地，做个有准备之人！
文章根据中央广播电视总台央视科教频道《实验现场》栏目2021年全国科普日大型科学实验直播秀《奋进吧！科学少年》视频整理，文章作者系视频栏目主讲人。
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