太阳风（黄橙色轨迹）剥离了地球高层大气（天蓝色轨迹）中的离子。其中一些粒子沿着地球的磁场线（白色实线曲线）运动，并沉降在月球表面。这一过程可能在月壤中留下了地球大气的记录。图片来源：罗切斯特大学插图 / Shubhonkar Paramanick
新发现表明，在漫长的岁月中，地球磁场在将粒子从我们的大气层输送到月球方面扮演了一个令人惊讶的角色。
乍一看，月球似乎死气沉沉、毫无生机。但其表面可能讲述着一个更为复杂的故事。数十亿年来，地球大气的微小碎片很可能一直在抵达月球，并嵌入其土壤中。这些物质可能包含有朝一日能帮助支持人类在月球表面活动的成分。然而，直到最近，科学家们还不确定这些粒子如何能够穿越如此遥远的距离，也不清楚这个过程已经持续了多久。
罗切斯特大学的研究人员现在报告称，地球磁场可能非但没有阻止，反而协助了这种转移。他们发表在《自然通讯·地球与环境》上的研究表明，被太阳风抬升的大气粒子可以沿着地球磁场向外引导。由于这个磁屏蔽已经存在了数十亿年，它可能使得物质在漫长的时间里，缓慢但持续地从地球移动到月球。
“通过结合月壤中保存的粒子数据，以及太阳风如何与地球大气相互作用的计算模型，我们可以追溯地球大气及其磁场的历史，”罗切斯特大学物理与天文学系教授、激光能量学实验室杰出科学家埃里克·布莱克曼（Eric Blackman）说。
这些结果表明，月壤可能保存了一份关于地球大气的长期档案。它们也提出了月球可能含有对未来在那里生活和工作的宇航员具有宝贵价值的资源的可能性。
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一直是这项研究的核心。对这些样本的分析表明，月球表层（称为风化层）含有挥发性物质，如水、二氧化碳、氦、氩和氮。其中一些物质显然来自太阳风——从太阳持续流出的带电粒子流。然而，发现的量，特别是氮，太大了，无法仅用太阳风来解释。
2005年，东京大学的科学家提出，这些挥发物的一部分起源于地球大气。他们认为，这种转移只能发生在地球历史的早期，即行星形成磁场之前。他们的假设是，一旦磁场形成，它就会阻止大气粒子逃逸到太空中。
罗切斯特大学的研究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可能到达月球，研究人员使用了先进的计算机模拟。团队成员包括物理与天文学系研究生、激光能量学实验室霍顿研究员Shubhonkar Paramanick；地球与环境科学系小威廉·R·凯南教授约翰·塔杜诺（John Tarduno）；以及综合研究计算中心计算科学家、物理与天文学系助理教授乔纳森·卡罗尔-内伦巴克（Jonathan Carroll-Nellenback）。
他们的模拟测试了两种条件。一种代表了没有磁场且太阳风更强的早期地球版本。另一种模拟了拥有强磁场和较弱太阳风的现代地球。结果显示，在现代地球情景下，粒子向月球的转移效率要高得多。
在这种情况下，太阳风可以将带电粒子从地球高层大气中剥离出来。这些粒子随后沿着地球的磁场线运动，其中一些磁场线延伸到足够远的太空，与月球的轨道相交。在数十亿年的时间里，这个过程就像一个缓慢的漏斗，允许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。研究月壤可以为科学家提供新的见解，了解地球的气候、海洋甚至生命本身在数十亿年间是如何演化的。
粒子的稳定输送也表明，月球可能含有比先前假设的更多有用的材料。水和氮等挥发性元素可能有助于维持人类在月球的长期活动，减少从地球运送物资的需求，使未来的探索更加切实可行。
“我们的研究对于理解像火星这样的行星早期大气逃逸也可能具有更广泛的意义，火星今天缺乏全球磁场，但过去曾有一个类似于地球的磁场，并且可能拥有更厚的大气层，”Shubhonkar Paramanick说。“通过结合不同时期的大气逃逸来研究行星演化，我们可以深入了解这些过程如何塑造行星的宜居性。”
这项研究得到了美国国家航空航天局和美国国家科学基金会的部分资助。
