发现“晚了20年”:月球在地球大气层中

覆盖面积很大的地球日冕阻挡了吹向地球的太阳风，阻止了远紫外辐射直接到达地面，保护了这颗蓝色星球的水圈和生物圈。换句话说，这颗具有磁场的地球日冕为保护地球表面可能的生命环境和生命本身提供了支持。

中国科学院国家天文台平劲松研究员。

你能想到吗？也许月球一直在地球的“怀抱”中。

在一项研究中，研究人员分析了1996年至1998年间在第一个拉格朗日点收集的地球大气散射数据，并确认了日冕(地球大气层的最外层)的观测结果：地球大气层已经延伸到大约63万公里的高度，相当于地球半径的100倍。这意味着月球也包裹在地球的大气层中。

这一结论颠覆了此前对日冕范围的认识：科学家此前估计日冕层约为地球半径的9-10倍高，月球距离地球大气层最外层32-34万公里。

2020年以来，鉴于太阳活动新一个高峰年的到来，研究团队持续监测太阳风及其对日冕的影响。

“大范围日冕的发现，进一步拓展了人类对行星大气组成和存在的认识，也拓展了对中心恒星与行星(如太阳和地球)大气相互作用的认识。”中国科学院国家天文台研究员平劲松告诉科技日报记者。

令人难以置信的是，树冠高度可以达到地球半径的100倍。

地球表面包围的大气称为大气层，从内到外分为对流层、平流层、中间层、暖层和扩散层。作为散射层的一部分，日冕位于地球大气层的最外层，并延伸到行星际空间。

“研究团队近年来的空间观测发现，日冕层的高度可以延伸到地球半径的100倍，甚至连月球都无法置身事外。”平劲松指出，这一研究结论的关键依据是由美国宇航局和欧空局联合开发的太阳和日光层观测站SOHO。星上太阳风各向异性探测器的SWAN载荷记录了日冕中太阳风与氢气的相互作用数据，发现太阳风与地球等离子体的相互作用在距离地表63万公里的高度仍然存在。

他介绍，日冕主要散射来自太阳的远紫外线，也发射微弱的紫外线，但与太阳辐射相比，日冕发射的辐射很小。日冕层的形状看起来有点像彗星靠近太阳飞行的尾巴。

就成分而言，日冕层与地球大气层的其他层有很大的不同。比如，日冕层是以氢、氦原子和离子为主要成分的低密度晕，而地球1000公里高度的大气主要由氮、氧、二氧化碳和水等分子以及离子组成。此外，在地球下部的大气和日冕层之间有一个等离子体层的过渡带。

“大范围覆盖地球日冕，阻挡了吹向地球的太阳风，阻止了远紫外辐射直接到达地面，保护了地球蓝色星球的水圈和生物圈。换句话说，这种带有磁场的类地行星为保护行星表面可能的生存环境和生命本身提供了支持。”平劲松说。

值得一提的是，大规模日冕的发现意义重大，为行星科学增添了新的研究内容。“这一发现给科学家提出了新的探索问题。比如行星从星子坍缩到行星再演化的过程中，日冕是什么时候产生的，是如何稳定存在的？比如，类地行星和气体行星的冕在组成和演化上有什么异同？”平劲松说。

日冕“生命”，与恒星的日冕有很大不同，只有几天。

不仅地球有日冕层，太阳系的金星、火星、水星、木星都有自己的行星日冕层。作为一个行星冠与恒星冠有很大不同。平劲松解释说，恒星，特别是像太阳这样的年轻恒星，在最外层有一层厚、薄、极低密度的大气层结，称为恒星日冕。恒星的树冠厚度可达数百万公里，温度可达数百万摄氏度或更高，可将其中的氢和氦原子完全电离，形成等离子体。恒星的日冕主要由质子、高度电离的离子和高速自由电子组成。这些带电粒子运动如此之快，以至于带电粒子脱离了中心恒星的引力限制，向外围射出，形成了恒星风。恒星日冕中的气体在底部的光球层中不断产生，维持着恒星日冕本身的存在。

“行星日冕中的离子会与恒星风中的质子交换电荷，导致其‘寿命’只有几天，这也限制了行星日冕的大小范围。”平劲松强调。

由于上述差异，从天文观测的角度来看，观察行星日冕更困难，观察恒星日冕更容易。平劲松说，恒星日冕不仅在光学波段有辐射，在射电波段也有爆发辐射，因此人类可以在多个电磁波波段观测到。然而，行星日冕并没有神秘到世界看不见的程度，科学家们使用了各种探测器来一窥行星日冕的“美”。

“屏蔽”紫外线波段的日冕增加了天文观测的难度。

日冕吸收了空间天体的紫外辐射，阻断了科学家从地面或行星空间利用电磁波的紫外波段，特别是中远程紫外波段观测宇宙中恒星的机会。

所以科学家采取了不同的方法。“在这些波段中，科学家只能通过在日冕中高层或日冕外飞行的紫外望远镜，如日地系统中设置的拉格朗日平移点，避开日冕对紫外波段的吸收干扰，进行天文观测。”平劲松说。

在人类探索地外生命的过程中，一个重要的任务就是寻找“第二个地球”。

通常，在光学波段，天文学家通过阻挡比系外行星大的中心恒星的光度变化来寻找适合人类居住的天体。平劲松介绍：“由于日冕的存在，当系外行星遮挡中心恒星时，科学家会监测紫外波段与氢、氦原子密切相关的特定波长的紫外电磁波辐射的吸收情况，从而判断日冕的存在和大小，进而推断系外行星的受保护状态和其上存在生命的概率。”

除了紫外波段和光学波段，利用地冕以及类地行星冕能够辐射数千米到数十米波长的无线电电磁暴发信号特性，科学家可以借助非常灵敏的地面无线电装置，通过搜寻、监测系外行星在这个波段的电磁波辐射，来寻找更多的系外类地行星候选天体。

尽管地冕的存在给天文观测造成了一定的阻碍，但幸运的是，地冕为人类观测其自身留下了一扇窗。

“它们会吸收太阳远紫外波段氢和氦的电磁波辐射，受到辐射激发的氢、氦原子和离子会发出微弱的紫外辐射，从而可以被远离地球的探测器看见。”平劲松说。

此次研究的地冕数据，就是来自于1995年发射升空的SOHO搭载的太阳风各向异性探测器SWAN。该探测器绕太阳公转并对太阳展开研究。此外，它还能测量来自地冕的光线。令人惊讶的是，这批数据是SOHO于1996年至1998年间获取。因而，这项最新研究发现被戏称“迟到了二十年”。

我国嫦娥三号月球探测器于2013年底发射升空并成功降落至月球正面之后，也曾“看到”过地冕，并证实了介于电离层和磁层之间的地球“等离子体层”的存在。嫦娥三号携带了观测地球外层大气等离子体层的紫外望远镜，监测到了地冕随着时间变化的“倩影”。