地球每年损失上万吨大气，月球一直在偷

艺术概念图：地球会向月球输送大气物质，但这种情况只会在每个月的特定时间（月球转到地球背阳面）发生。

图片来源：University of Rochester illustration / Shubhonkar Paramanick

撰文 | 不周

审校 | 王昱

在晴朗的夜晚，抬头总能看到一轮银白色的月亮，或圆或缺。这时如果拿一台望远镜，哪怕倍数不高，也能看清月球表面布满暗斑。它看起来总是寂静清冷，没有云层的流动，也没有潮湿的雾气。与地球周围环绕着厚重大气层相比，月球几乎没有真正意义上的空气。

也正因为缺少大气，月球表面就像一块凝结时间的记录板。在地球上，风雨会将地表的痕迹快速抹平。但在月球上，陨石、彗星的撞击，太阳风的冲击，甚至人类曾经踩下的脚印，都能在漫长的时间里维持原样。而月球表面的岩石碎片和尘埃——月壤，就记录着月球如何形成，火山活动与遭受撞击的历史。

这张阿波罗15号照片由宇航员大卫·斯科特（David Scott）于1971年登月时拍摄。照片中宇航员的靴印清晰地印在月壤上。图片来源：NASA

上世纪美国航空航天局（NASA）的阿波罗计划，第一次将月壤和月岩样本带回地球。研究人员在实验室仔细分析这些岩石与尘埃的成分，却发现了一些本不该出现在尘埃中的成分——水、二氧化碳、氦、氩和氮等轻挥发性物质。

这些物质本不该存在。主流观点认为，月球是在地球早期，与火星大小的天体忒伊亚（Theia）撞击产生的，这个剧烈的过程应该已经去除了大部分轻挥发性物质，月壤中的岩石样本也印证了这一点。那么，月壤尘埃中的挥发性物质是从哪来的呢？

月壤氮源之谜

最直接的解释是太阳和宇宙线。太阳炽热的大气层，一直向外持续喷射高速带电粒子流，如飓风般冲向星际空间，席卷太阳系内层的大小行星。像地球这种有磁场和大气层保护的行星，太阳风很少能直接撞击到地表。相比之下，月球既没有磁场，有没有厚重大气层保护，其表面几乎直面太阳风。

太阳风中携带了质子、电子、氦、碳、氮、氧等元素的原子核以及微量重离子，宇宙线则主要以质子和氦核构成，当它们砸进月壤时，会将那些“本不该出现”的元素注入其中。但很快，科学家又发现，月壤中的元素比例，并不能用太阳风与宇宙线解释。月壤中氮的占比，远高于太阳风中的氮。

月球其实有一层外逸层，但极为稀薄，如果登上月球几乎感受不到有大气存在。与之相比，地球既有活跃的大气气体来源，引力和地磁场也能帮助保护和维持大气层。左图：阿波罗8号宇航员在绕月飞行时看到的地球（1968年）。右图：国际空间站宇航员在绕地球飞行时看到的月球（2024年）。图片来源：NASA/Vi Nguyen

月球这部分非太阳来源的氮，最可能来自哪里？答案指向了我们呼吸的地球大气。2005年，由东京大学领导的一个研究团队指出，月壤中的部分挥发性物质可能来自地球大气层。但问题是，地球地磁场足够强，能够保护大气层不外逸到月球。一些人曾提出，地球历史的早期（约39亿至38亿年前），地磁场可能处于消失或极其微弱的状态，因此那时候地球大气更容易被太阳风剥离，可能爆发式地向月球输送过离子。

然而，近年来对古老矿物的分析研究却发现，地磁场可能早在42亿年前便已经存在了。美国罗切斯特大学（University of Rochester）的研究团队很好奇这些氮是如何从地球一路输运向月球，他们想知道这其中的动力学过程。或许，即使有地磁场，这些离子也能飞向月球？

去年12月，《自然·通讯-地球与环境》（Nature Communications Earth and Environment）发表了他们的最新发现，研究表明，地磁场可能没有保护大气层，反而在太阳风的推动下，一直持续将大气粒子推向太空，部分输送到月球。

地球也有长“尾巴”

想象中，地磁场像一个典型球形磁铁的磁感线一样，紧紧包裹住地球，像一颗对称的苹果一样。最靠近地球的磁层，呈现环抱的弧形，外圈逐渐扩大。整体上像一把透明伞，将高层大气、电离层乃至近地空间笼罩在下面。

但现实中，地磁场一直在遭受太阳风的冲击，它的外层会被拉扯变形。

地磁场有点像高空中降落的雨滴，最初下落的雨滴大致呈球形，但随着雨滴下落速度的增加，空气阻力会改变雨滴的形状，水从雨滴头部被拉向尾部。而太阳风正是以类似的方式扭曲地球外的磁层，在地球向阳面将其压缩，就像雨滴的头部，而在背阳面将其拉伸，就像雨滴的尾巴。

在太阳风与地磁场的角力下，地球的磁尾异常庞大，至少延伸了200万千米。罗切斯特大学的研究人员不禁想到，月球表面多余的氮是不是就是这么来的，顺着这条磁尾从地球大气一路延伸至月球？

漏到月球的大气史

为了厘清这些疑问，研究人员利用先进的计算机模拟，分析月壤如何，以及何时才有可能获取并富集样本中呈现的元素比例。研究团队测试了两种场景，一种模拟了没有磁场且太阳风更强劲的早期地球，另一种则模拟了拥有强磁场但太阳风较弱的现代地球。

综合了重力、磁阻、电离动力学等多种物理过程，研究人员用3D模拟并分别追踪了来自太阳风和地球大气的离子流。通过构建二者的同位素混合曲线，研究人员发现，“现代地球”的模型可以很好地解释月壤中非太阳来源的氮，而“早期地球”模型反而会让混合更多由太阳来源的氮主导，并不符合现实。

事实上，在拥有强磁场但太阳风相对较弱的现代地球模拟中，大气层的带电粒子被太阳风吹散，并沿着地球磁尾运动。地球和月球的距离仅有约38万千米，200万千米长的磁尾足以抵达月球。模拟中，当月球进入磁尾区域，地球大气离子的转移效率甚至高于完全没有磁层的情况。

地磁场有数十亿年的历史。这项新发现似乎打破了我们对地磁场的既定印象，它并不总是担任“防护罩”的角色。除了每年通过热逃逸等过程流失的上万吨大气，数十亿年来，地磁场可能一直像漏斗一样，将地球大气注入移到磁尾区域的月球表面。

这种长期的粒子输送意味着，月球深埋的土壤，很可能像时间胶囊一样，保存了地球大气数十亿年的演化记录。研究月壤或许为科学家提供一个难得的窗口，了解地球气候、海洋乃至生命在数十亿年间的演化过程。此外，这项研究或许也能帮助理解火星等行星早期大气的逃逸。火星过去曾拥有和地球类似的磁场和大气。通过研究不同时期行星演化和大气逃逸的过程，也能帮助我们了解这些过程如何影响行星的宜居性。