科幻小說里的月球“噴泉”

讓我們先回到1956年。那時候NASA都還沒有創(chuàng)建，更沒有完成登月飛行的壯舉，人類對月球的了解基本上都是一些遠距離觀察后揣摩得到的假設(shè)。當時，著名的科幻作家哈爾·克萊門特發(fā)表了一篇名為《塵屑》的科幻小說，描述了兩個宇航員降落到月球環(huán)形山，對一種使月平線附近的星光變暗的薄霧進行科學(xué)考察的過程。小說中的宇航員最后得出結(jié)論，月球上的微光薄霧根本不可能是地球人一直猜測的月球大氣層，而是一些飄浮在月球地表上的塵埃。在書中，有一段主人公關(guān)于這種科學(xué)預(yù)言的令人印象深刻的談話。一位宇航員首先問到：“月球表面的物質(zhì)是最骯臟的導(dǎo)電物質(zhì)，月表的灰塵不停地揚起又落下，因為這種運動摩擦，所以它們通常都是帶電的。當灰塵帶上電荷，將會發(fā)生什么事情呢?”另一位宇航員回答：“灰塵顆粒們會相互排斥?！碧釂栒呃^續(xù)問到：“如果一個周長綿延數(shù)百千米、邊緣高達幾千米的環(huán)形山都帶上電荷，那落在這座山上的灰塵將會發(fā)生怎樣的奇跡呢?”科幻小說作者憑借自己超凡的想象力描繪出的答案是：那些灰塵將會在靜電作用下，像一座巨型的噴泉一樣，在陽光下升騰不止。

哈爾·克萊門特自己都不知道，他描述出來的幻想情節(jié)，與后來的月球登陸車拍攝的照片以及登月宇航員親眼見過的情景再吻合不過了。在宇航員乘坐“阿波羅11”號登月之前，人類就向月球派出過一些勘測飛船?？睖y飛船軟著陸在月球表面后，立即向地球傳回了大量讓當時的人們迷惑不解的照片。照片中顯示，在離月球地面不遠的空中，總有一些有如黎明到來時的微弱光芒在閃耀，非常清晰，并且這種狀況會一直持續(xù)到黑夜來臨。

此外，由于月球上沒有大氣對陽光的散射作用，它的地平線應(yīng)該如刀片一樣平直銳利才對，但是月球地平線并沒有將天空與月表涇渭分明地分割開來，而是有一個逐漸模糊的過渡帶。

最讓人們感到驚訝的，是于1972年乘坐“阿波羅17”號飛船環(huán)月飛行的宇航員們所見到的奇觀。在月球上的日出與日落的前后10秒之內(nèi)，宇航員們反復(fù)看到了被他們叫做“絲帶”、“白簾”或者“晨曦”的光幕，他們把這些奇怪的光影通過素描速寫下來了。同樣的光影，也被乘坐過“阿波羅8”號以后的宇航員們看見過。

“噴泉”，電荷在作怪

在地球上，我們也能看見與這種光芒相似的夕暉或者晨曦。日出和日落時分，當太陽的光芒被山巒阻擋，常常在天空中留下對比強烈的光柱和陰影。這是由于陽光照射到空氣中的塵埃時，氣溶膠態(tài)的塵埃對光發(fā)生散射，我們就看見了光柱。人們猜測，也許月球上的微光也是那樣產(chǎn)生的吧。在20世紀70年代，當宇航員們展示這個月球上的怪事時，許多行星天文學(xué)家就是這樣解釋的，甚至將這種推論寫成了科學(xué)論文。

但是，既然月球上沒有大氣，那些灰塵如何能夠長久地飄浮在月球表面呢?即使有隕星沖擊月表造成灰塵顆粒暫時飛濺上升，那些灰塵為什么不很快地回落到月球表面上呢?

為了解釋這個現(xiàn)象，NASA戈達德航空飛行器中心的物理學(xué)家們建立了月塵運動的“動態(tài)噴泉模型”。這個模型解釋到：實際上，月球上空存在著一種由極為纖細的不停運動的帶電微粒組成的“大氣”。這里借用“噴泉”這個詞語，不是因為那些微粒是水分子，而是希望用“噴泉”這種直觀的比較對象，來說明那些微?！按髿狻笔侨绾卧谶\動的。

月塵帶電微粒從月球表面上連續(xù)不斷地升起來，又連續(xù)不斷地回落下來，前赴后繼，最后的結(jié)果形成了塵埃的“噴泉”，看起來就像是月球近地表面一層靜止的“塵埃大氣”，只不過這個“大氣層”完全由連續(xù)運動的帶電塵埃顆粒組成。

這種“噴泉”模型其實并不神秘，在我們身邊，就經(jīng)常發(fā)生這樣的事例。將充氣的氣球放在頭發(fā)上摩擦數(shù)下，然后離開頭頂幾厘米，你的頭發(fā)馬上就會朝向氣球豎立起來。這是因為在摩擦氣球的時候，電子會從頭發(fā)上跑到氣球上去，從而使頭發(fā)帶上正電而氣球帶負電。正負電荷相吸引，就會導(dǎo)致本來下垂的頭發(fā)隨著氣球直立起來了。當將帶電的氣球完全拿開后，你的每根頭發(fā)會彼此分開，整個頭部的頭發(fā)像一把張開的傘一樣都擴張開來，持續(xù)一段時間后才慢慢回到原來的自然狀態(tài)。這是因為當帶電的氣球移開后，每根相鄰的帶有正電荷的頭發(fā)會因為同性相斥而彼此遠離，部分頭發(fā)就會呈懸著的狀態(tài)了。

這與帶電的月塵懸浮空中的道理完全相同。

月球上布滿帶電的“噴泉”

不過現(xiàn)實中的月塵顆粒并沒有小說中所說的那樣，因相互摩擦而生電。

月塵是從太陽那里得到靜電的：一方面通過陽光照射捕獲光能產(chǎn)生靜電，另一方面通過來自太陽本身帶電的粒子獲得電子，如太陽風(fēng)。

在月球的日照面，由于太陽紫外線和x射線等各種高能射線的轟擊，月球表面塵埃物質(zhì)的原子與分子中的電子發(fā)生躍遷，直至電離。月塵微粒所帶的正電荷逐漸積累，電荷越來越強，直到使塵埃微粒相互排斥開來，甚至離開月球表面，上升到數(shù)米甚至數(shù)千米的空中懸浮起來。由于月塵非常微小，一般直徑不到1微米，所以在整個月球日照地區(qū)所形成的壯觀的帶電灰塵帶，閃閃發(fā)光，讓人誤以為是“月球大氣”。這種奇觀即使在宇航員登陸月球后，也能被清楚地看見。

那么，在月球的背日面又會發(fā)生怎樣的故事呢?那里實際上也會發(fā)生月塵“噴泉”，不過那些懸浮到空中的月塵所帶的電荷不是正電荷。而是負電荷。這些負電荷來自于太陽風(fēng)中所攜帶的電子，再加上那些在日照面被太陽風(fēng)激發(fā)出來的負電荷，會一起隨著太陽風(fēng)流向月球的背日面。實際上，根據(jù)“噴泉”模型的試驗證明，背日面所帶的電量比日照面還要高得多，在那里的月塵微粒會飛揚得更快、更高。也就是說，背日面的月塵“噴泉”實際上噴涌得更猛烈，更壯觀，只不過沒有陽光的照射而無法被人們看見或者拍照。

好問的讀者馬上就會發(fā)現(xiàn)一個問題：在月球的白晝與黑暗的分界線上，又會發(fā)生怎樣的事情呢?我們知道，月球也如地球一樣，日出與日落造成的晝夜分界線總在周期性地移動，這種運動又會產(chǎn)生什么后果呢?物理學(xué)家們根據(jù)“噴泉”模型推測：在分界線區(qū)域，將會形成一種非常強大的地平線電場，電場會導(dǎo)致月塵像流體一樣在地平線上空橫向流動，最終，邊界區(qū)域的灰塵被電場全部吸光。當然，月塵微粒太小了，以致宇航員無法用肉眼看見那些在地平線附近急速奔流的塵埃巨浪。不過，當你身處地平線附近的黑夜區(qū)欣賞月球上的日出時，你會在地平線上看到一幕極為怪誕的晨曦光芒，它們很薄，像是一匹巨大的白布簾在地平線的上空舞動不已。

戈達德航空飛行器中心的研究人員正在進一步探求與月塵“噴泉”相關(guān)的一系列迷人的問題。例如，對那些極深的月坑，因為終年照射不到陽光，經(jīng)過數(shù)以億年計的時間，會不會累積出極強的負電場呢?了解它們是極重要的，因為那些終年背陰的火山深坑里面，是月球水資源的最大儲存地，那里是人類月球殖民基地的最佳選址。如果那里充滿了密密麻麻帶電的塵埃，人類將如何應(yīng)對呢?