最新研究表明，地球磁场在数十亿年来可能协助将地球大气中的微粒输送至月球表面。
月球表面或许并非一片完全荒芜的尘埃之地。在漫长的地质年代中，地球大气中的微量物质可能已悄然落至月壤之中，这些物质或将成为未来宇航员生命维持资源的潜在来源。然而，科学家直到近年才逐渐揭示这些粒子如何从地球抵达月球，以及这一过程已持续了多久。
《自然通讯：地球与环境》近期刊载了罗彻斯特大学的一项新研究，指出地球磁场非但没有阻挡大气微粒逃逸，反而可能协助引导这些被太阳风携带的粒子进入太空。由于地球磁场已存在数十亿年，这一过程可能已在极长的时间尺度上，持续将地球物质输送至月球。
“通过结合月壤中保存的粒子数据，以及太阳风与地球大气相互作用的计算模型，我们能够追溯地球大气及其磁场的演化历史，”罗彻斯特大学物理学与天文学系教授、激光能量实验室杰出科学家埃里克·布莱克曼解释道。
研究显示，月壤不仅可能保存着地球大气层演化的长期记录，其对未来月球探索的价值也可能远超科学界此前的预期——这些物质或能直接支持人类在月球的长期驻留。
月壤中的线索
20世纪70年代阿波罗计划带回的月壤样本，为科学家提供了关键线索。分析表明，月球表面风化层中含有多种挥发性物质，如水、二氧化碳、氦、氩和氮等。其中部分物质来源于持续轰击月球的太阳风——即太阳发出的带电粒子流。然而，某些成分（尤其是氮）的含量，仅靠太阳风无法完全解释。
2005年，由东京大学牵头的科研团队提出，部分挥发性物质可能源自地球大气。该团队当时认为，这一过程仅可能发生在地球尚未形成磁场之前，因为磁场会被认为会阻止大气粒子逃逸至太空。
但罗彻斯特大学的研究团队发现了另一种可能的作用机制。
模拟地球大气向月球的输送过程
该研究团队包括罗彻斯特大学物理学与天文学系研究生、霍顿学者舒博恩卡·帕拉曼尼克，地球与环境科学系威廉·R·肯南教授约翰·塔尔杜诺，以及集成研究计算中心计算机科学家乔纳森·卡罗尔-内伦巴克。
研究人员模拟了两种情景：一是模拟“早期地球”——当时地球尚无磁场，太阳风强度较高；二是模拟“现代地球”——已具备强磁场而太阳风较弱。结果发现，粒子转移在“现代地球”情景下反而更为有效。在此情况下，太阳风会从地球大气中剥离出带电粒子，这些粒子随后沿地球磁力线运动。部分磁力线延伸至太空深处，甚至抵达月球轨道。在数十亿年间，这种磁引导效应持续将微量地球大气物质输送至月球表面。
保存过去，支撑未来
这种长期的物质交换意味着，月球可能保存着地球大气化学成分的历史档案。因此，研究月壤或能为科学家提供一个独特窗口，以揭示数十亿年来地球气候、海洋乃至生命的演化历程。
此外，稳定而持续的粒子输送也表明，月壤中所含的挥发性物质可能比此前估计的更为丰富。像水、氮等元素若能就地提取利用，将可支持人类在月球的长期活动，减少从地球运输补给的需求，从而大幅提升月球探索的可行性。
“这项研究对于理解火星等行星的早期大气逃逸也具有启示意义，”帕拉曼尼克指出，“这些行星如今缺乏全球性磁场，但在过去可能曾拥有类似地球的磁场及更浓厚的大气。通过研究不同阶段行星的演化与大气流失，我们能进一步认识这些过程如何影响行星的宜居性。”
本研究获得了美国国家航空航天局（NASA）与美国国家科学基金会（NSF）的部分资助。
