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月球對地球有多重要?
這些隕石,有些原本會砸在地球上……
月球上的隕石坑(圖片來源:veer相簿)
科幻片裡駭人的滔天巨浪:
巨浪是由月球變軌引起的(圖片來源:《流浪地球2》)
對此,地球表示:
不過你大概不知道,在離地球幾萬公里的太空裡,存在一片「海洋」,月球也沒有「放過」它。
近日,中國科學家首次觀測到地球等離子體層中存在月球潮汐信號,更新了科學家對潮汐現象的認知,表明了月球對近地空間環境的作用比既往設想的更重要,相關研究成果發表在Nature Physics上(點選文末「閱讀原文」看論文)
有趣的是,這個成果的產生,源於一個看似不相關的資料庫。
首先,讓我們複習一下月球潮汐現象
月球對地球最直接的影響,是潮汐現象。由於月球的引力,地球上的海水會形成一個橢圓,大潮最高點總是正對著月球。(注意:月球潮汐現象很複雜,涉及到太陽與離心力等,這裡只是採取最簡單的描述。)
我們常見的海洋潮汐是半日潮和半月潮:也就是說在一天之內會有兩次漲潮退潮的過程(白天海水上漲叫做「潮」,晚上海水上漲叫做「汐」);以半個月為週期,潮汐的高度隨月相(月亮的各種圓缺形態)出現改變。
在地球的固態、液態、氣態等各個圈層中,我們都能觀察到月球潮汐現象,比如大氣的密度隨著月相出現改變,改變的趨勢也與海洋潮汐類似。這些潮汐現象深刻地影響著地球和人類:地殼潮汐可能引發地震和火山活動;海洋潮汐可以影響從赤道到極地的熱量流動,以及生物從海洋登上陸地的演化過程;大氣潮汐會影響全球的降雨;電離層潮汐則可以影響無線電傳輸和近地軌道衛星高度。
那麼,在離我們更遠的地方,月球還會有影響嗎?比如,在「地球等離子體層」裡。
地球等離子體層——物質第四態的海洋
物質擁有四種形態,固態、液態、氣態、等離子體態。等離子體是物質的第四態,可以看成是「被電離的氣體」,內部包含電子和離子等帶電粒子和中性粒子,整個宇宙裡99%以上的物質都是等離子體態。
在地球電離層上部,~1000 km至3~6個地球半徑的空間內,有一個環狀的冷等離子體聚集區域,這就是地球等離子體層 (Plasmasphere),可以把它想象成一個「甜甜圈」,包裹著地球。
地球等離子體層示意圖
嫦娥三號極紫外相機觀測到的地球等離子體層
這裡的等離子體冷而緻密,就像一個充滿等離子體的」海洋」。而隨著與地球距離越來越遠,「海洋」裡的物質密度急劇減小,還存在非常明顯的外邊界,這個邊界被稱為等離子體層頂(plasmapause),層頂代表了「海面」,平均狀態下,層頂距離地心4個地球半徑(2萬~3萬公里)。它的高度並不固定,經常發生變化,如果在排除其他因素的情況下,層頂的高度變化與月球週期存在關係,那就可以說,地球的等離子體層存在月球潮汐現象。
問題來了,在地球上,我們可以觀測海面的高度,用聲波探測地殼的變化,用氣球探測大氣的密度變化,在離地球幾萬公里的地方,如何探測「海面」的變化?答案是:用衛星。
世界上最大的資料庫,引發了一次奇想
在等離子體層頂附近,電子和離子密度降低,等離子體參數、等離子體波和其他電磁現象都會在此處發生突變,衛星穿過這個區域時就會記錄下特異的參數,相當於「標記」出等離子體層頂的位置了,把大量等離子體層頂的位置資料集合起來,就能分析「海面變化」了。
科學家也的確是這麼做的,本次研究利用了世界上最大的地球等離子體層頂資料庫,不過這個資料庫,出自原本不研究月球潮汐的學者。
中國科學院地質地球研究所的何飛研究員,研究方向是地球與行星物理。為了研究等離子體層頂對太陽風和地磁變化的響應,他從研究生時代開始,就在導師張效信研究員(國家衛星氣象中心)帶領下,開始了建立地球等離子體層頂資料庫的工作。建庫工作長達9年,他們蒐集了近40年(1977~2015)間18顆衛星的觀測資料近10萬條,其中包括衛星穿越和對等離子體層「拍照「(包括嫦娥三號在月球拍攝的地球等離子體層圖像)的資料。這些衛星來自不同國家,是目前最大的地球等離子體層頂資料庫。
資料庫裡包含的衛星資料量
該資料庫發表之後,其他研究者發現,他們有了一個新的「資料武器」,可以研究等離子體層裡的月球潮汐現象了!
山東大學的史全岐教授團隊、北京航空航天大學劉文龍教授團隊與何飛研究員團隊嘗試把等離子體層邊界位置做了基於月相的分析,果然發現了潮汐的特徵:與地球上的潮汐現象類似,等離子體層邊界位置出現了週期性的波動;不同的是,最高點始終在月球前方90度 (月球后方90度是低潮),並不是在與月球的連線上。並且這個「海洋」裡的潮汐週期是全日/全月。
下圖中的紅色標記處就是等離子體層的最高點,運動的小球代表月球。
等離子體層頂潮汐信號動態示意圖(製圖:論文第一作者山東大學肖超博士後)
等離子體層裡的月球潮汐是怎麼形成的?為什麼與地球上的潮汐現象有區別?劉文龍教授團隊進一步分析了資料庫中的電場資料,發現原因是這裡的潮汐現象受到引力和電磁力的共同作用。
而為何地球上常見的半日/月潮在等離子體層裡會變成全日/月潮,就是科學家們下一步要解決的問題了。
海洋潮汐(藍色部分)與等離子層頂潮汐(橙色部分,凸起部分代表高潮)對比(圖片來源:山東大學)
結語
許多年前,人們發現海洋潮汐現象,靠的是觀察,現在發現地球等離子體層潮汐現象,科學家靠的是資料。這也正是科學研究正規化改變的一個實例。
歷史上的科學研究經歷了基於觀察、假說和驗證的經驗科學,到基於理論分析、概括和總結的理論科學,再到基於建立模型、計算和分析的計算科學三個階段。而現在,科學研究正在進入一個嶄新的階段。資料不再僅僅是科學研究的結果,而且變成科學研究的活的基礎;科研從假說驅動轉向資料驅動,從發現因果性轉為尋求相關性,開闢了科學知識生產新的邏輯通道。
可以說,以「資料密集型」和「大資料」驅動的科學研究正規化帶來了科研方法論的變革,正成為科學發現的新引擎。
參考資料
[1] 呂景天,張效信,何飛,黃聰. 2023. 地球等離子體層研究進展. 地球與行星物理論評(中英文),54(4):417-433
[2] Zhang, X. et al. A new solar wind‐driven global dynamic plasmapause model: 1. Database and statistics. J. Geophys. Res. Space Phys. 122, 7153–7171 (2017).
[3] He, F. et al. A new solar wind‐driven global dynamic plasmapause model: 1. Model and validation. J. Geophys. Res. Space Phys. 122, 7172–7187 (2017).
[4] Xiao, C., He, F., Shi, Q. et al. Evidence for lunar tide effects in Earth’s plasmasphere. Nat. Phys. (2023).
撰稿:張文韜
審核:中國科學院地質與地球物理研究所 何飛 研究員
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編輯:April