月球的電離層之謎

2011/11/28 |

太空天文

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沒有大氣層的世界，怎麼會有電離層（ionosphere）？別懷疑，月球就是有辦法做到！研究月球的科學家們對於月球為何會有電離層，已經傷腦筋了好幾年，現在或許有解答。

首先來談談何謂「電離層」。每個有大氣層的類地行星都有電離層。在這些岩質行星的上空，大氣與太空的交界處，來自太陽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」。在地球上，電離層對通訊和航行很重要，例如：電離層可反射無線電波，使地面上的短波電台可以將訊息傳遞到很遠的另一個接收站內。電離層也會彎曲或散射來自GPS衛星的訊號，有時會讓你的GPS出差錯，沒偵測到正確的位置訊息。

1970年代，俄羅斯的月球19號和22號太空船首度偵測到月球電離層的證據。當它們以貼近月表的軌道環繞月球時，這2艘太空船感應到有帶電物質散佈在離月表約數十公里高的地方，帶電物質密度最多可達每立方公分1000個電子的程度，大約是任何理論可解釋的1000倍以上。當月球掩過遙遠電波源的過程中，電波訊號穿過月球邊緣的瞬間，電波天文學家也發現月球電離層存在的證據。

「月球沒有大氣層」這個事實，與「月球具有電離層」這個現象相互矛盾，深深困擾月球科學家。然而，或許月球也不是完全沒有大氣層呢！月球內部放射性元素衰變過程中所釋出的氣體有部分滲漏至月表；流星體和太陽風也會為月表帶來一些原子。但是這些方式所帶來的氣體都非常稀薄，許多研究學者拒絕承認這叫做「月球大氣層」，因為這個月球外氣層（exosphere）的密度只有地球的1017分之一而已，根本不足以解釋月球電離層的濃度。

40年過去了，月球電離層的謎題有了一個不一樣的解答，哥達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）Tim Stubbs於2011年初提出他的看法：可能是月塵惹的禍！年僅30的Stubbs，在發現月球電離層時甚至還沒出生呢！但是，他研讀阿波羅15號（Apollo 15）太空人的記錄時，發現其中一段提到他們看到月球地平線上空有片奇異的光輝。許多研究人員認為這些太空人應該是看到月塵。月表是個極度充滿塵埃的環境，這些懸浮的塵粒會散射日出時或日落時的陽光，在地平附近形成曙光或暮光。

Stubbs等人認為：月表上空漂浮的塵粒會被太陽的紫外輻射游離。根據他們的計算，這種游離過程足以提供足夠的帶電粒子，形成所觀測到的電離層。

電離層是由塵粒所形成的，而非氣體所構成的，對行星科學研究而言，是個非常新穎的點子。沒人知道這種現象在月表上有無晝夜的區別，或是會否隨著太陽活動週期而變化，甚至是會不會影響到未來在月球表面進行的電波通訊與航行的工作。美國航太總署（NASA）目前正在繞月飛行的ARTEMIS探測器，以及規劃在2013年發射的LADEE太空船，或許可以解答這已懸宕了40年的謎題。