月球的電離層之謎

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。

資料來源:Mystery of the Lunar Ionosphere[2011.11.14]

轉載自台北天文館之網路天文館網站


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