地球的南北磁極正在對調？這片海域的磁場異常是個信號 | 科學講壇——張輝

每個星體的磁場都不一樣，

形成的空間環境也非常獨特，

因此磁場對星體的環境

起了很重要的控制作用。

張輝 · 中國科學院地質與地球物理所研究員

格致論道第124期|2025年10月25日 北京

我是來自中國科學院地質與地球物理所的張輝，非常榮幸，今天能夠在這兒介紹關于月球磁場方面的一些進展。

頭頂一個球

我的專業叫空間物理專業。1998年，我進入了北京大學地球物理系，空間物理是其中一個專業。可能很多人對空間物理并不是特別了解，空間物理研究的是太空里帶電粒子和電場磁場的相互作用，以及它們產生的各類空間環境效應。

空間物理是一個比較小眾的專業，像天文這樣比較大眾的專業大家會比較了解，兩者有什么區別呢？有一個不成文的定義，人類探測器所能達到的范圍區域，是空間物理管的區域，更遠就是天文學管的區域。

空間物理這個行業是被不同國家的衛星任務所牽引的。回想起來，我個人的科研經歷也是和這些衛星計劃緊密地綁在一起。2002年左右，我進入研究生的學習階段，那時發生了一件好事——2000年，歐空局發射了一個4顆衛星組成的星簇計劃（Cluster）；2003年，在中國科學院國家空間科學中心的牽引下，中國發射了第一顆以科研為目的的人造衛星，叫雙星計劃，從而加入到Cluster計劃。我是2002年進入這個行業的，所以有幸可以用這兩組衛星的數據做科學研究。

到了2007年，美國也發射了“一箭五星”，其中的5顆衛星按照不同距離排列在地球磁場所控制的范圍，這個衛星計劃叫THEMIS計劃。正好這一年，我博士畢業，所以就有機會到加州大學洛杉磯分校，利用這5顆衛星的數據做地球磁場相關現象的研究。

▲NASA的THEMIS衛星計劃（2007)

磁場有一個很重要的特點，就是像彈簧一樣能一張一弛。被拉伸的時候，它儲存能量，但是松弛的時候，它就釋放能量。在這樣一張一弛的過程，在空間里加速一些帶電粒子，最終產生極光現象。這是一個非常好的能量轉換過程。

2007年10月份，我到美國進行博士后的研究，那時又發生了一件大事：中國發射了嫦娥探月的第一顆衛星，就是“嫦娥一號”計劃。

▲2007年“嫦娥一號”在西昌衛星發射中心發射

到2010年的時候，這個計劃繼續發射了第二顆衛星，即“嫦娥二號”探測計劃，同時也宣布了后面一系列的探月工程和嫦娥衛星的計劃。

▲2010年“嫦娥二號”在西昌衛星發射中心發射

中國探月進行得熱火朝天，美國有點坐不住了。2011年，美國將THEMIS計劃中最遠的2顆衛星轉移軌道，讓其繞著月球旋轉，探測月球磁場以及月球空間環境的現象。這時，THEMIS 的5顆衛星計劃還沒有完成，但是導師就讓我轉到研究月球空間環境方面的研究中來，因為相對來說研究的人比較少，我們對月球空間環境的了解比較少，在各個國家也是一個熱點。

事實上，這時候中國的嫦娥探測任務在國際上掀起了第二波探月高潮。第一波大家都熟悉，是在1958年衛星上天以后，美國和蘇聯競賽很快掀起了包括阿波羅計劃、蘇聯的Luna在內的月球探測高潮，后面就沉寂了一段時間。2007年，中國嫦娥計劃實施以后，很多國家都在計劃或者已經發射衛星探測任務。

2010年，我在這樣的環境下回到中國科學院地質與地球研究所。當時中國在萬衛星院士的推動下，積極推動行星科學一級學科的建設與研究。我是研究月球的，我的很多同事在研究太陽系里其他的一些行星，這就形成一個局面——每個人頭上都頂著一個球。

獨一無二的星體磁場

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太陽系里的這些星體有一個很重要的控制參數——行星的磁場。每個星體的磁場都不一樣，形成的空間環境也是非常獨特的，因此磁場對星體的環境起了很重要的控制作用。

我們都知道磁場是由電流產生的，安培定律、畢奧-薩伐爾定律已經把電流能產生磁場的事情說得很透徹了。但是這個理論有個很重要的提示，就是電流可以局限在一個比較小的區域內，但是產生的磁場可以延伸到無窮遠的地方。反過來看的話，這就給了我們一個有效探測的手段——如果在很遠的地方探測到一個磁場，那么就可以知道電流體系的變化，而電流體系的變化是由物質性質變化造成的，所以就能知道產生電流所在地的物質性質。

對于星體而言，它的磁場雖然都是由電流產生的，但是本質來源可能各有不同。比如像地球一類的星體，是由地核里熔融巖漿的動力學過程產生的磁場。而像木星、土星這一類氣態的行星，是由底層大氣的動力學過程造成的。當然，太陽也有自己的磁場，它的磁場是由內部熱核反應形成的一種等離子體組成的，這種等離子體我們稱之為物質第四態。我們是怎么了解星體磁場的呢？其實是通過外部磁場去推演內部的動力學過程，從而獲得的信息。

▲左：地球的熔融地核

中：土星的電離大氣

右：太陽的核聚變以及等離子體

磁場在地學研究里是非常重要的一個參數。以地球為例，地球有全球性的、我們稱之為偶極場的磁場，所以地球就像一個大磁鐵一樣。

磁場有一個很重要的性質，即能夠阻礙帶電粒子的運動。太陽時時刻刻地向外噴射帶電粒子，也就是太陽風。太陽風的速度極快，大約一秒鐘400公里到1000公里，也就是從北京到廣州可能一秒鐘就到了。這樣一個高速流體的運動如果沖擊到地球的大氣，很可能會把整個大氣沖散，地球大氣都沒有了。

如果地球大氣沒有了，那就面臨一個更嚴重的問題——射線。各種高能量的粒子、電磁的輻射會照射到地球上，而大氣正是發揮了吸收這些高能的粒子或射線的作用，從而保護地球表面，提供了一個宜居環境。

空間站有做一些種子的實驗，把地面的種子拿到400公里以外的中國空間站上。這些種子回地球以后，會長出來各種奇奇怪怪的一些植物，就是輻射造成的。地面上不可能出現這種現象，否則我們的生物可能會發生很多變異。這足可見大氣對環境的保護作用。

地球磁場是不是一直能夠保護我們呢？不一定。地球磁場有一個很重要的現象，叫地磁反轉。每隔一兩百萬年，地球磁場的南極和北極就會在1000年的時間里漸漸對調。在發生反轉的1000年時間里，磁場的強度會急劇降低，還會產生偏離偶極場的小尺度結構，從而不再是一個偶極場，而是四級場、八級場。

我們所的魏勇研究員前些年進行過一個有意思的工作。他通過化石里提取的信息，發現地球上每次磁場反轉的時候，總是會對應上化石記錄下空氣中的氧含量急劇降低的時候，同時，那段時間的生物多樣性也會降低。這是否說明，磁場強度的衰減最后造成了生物滅絕呢？這為研究地球上的生物演化提供了一個全新的思路，以及新的維度，至少是一個值得考慮的問題。

▲倒轉周期與生命演化周期呈現出了奇妙的相關

現在的地球怎么樣呢？過去的幾百年，我們看到地球的磁場是偏離偶極場，有一些小尺度結構的。其中，最出名的就是南大西洋區域。這個地方的磁場會出現異常小的情況。在過去的幾百年范圍內，這個區域不斷地變化，而且不斷地擴大，位置也在擺動。這說明地球內部的動力學確實在發生變化。

▲南大西洋異常(SAA)

人類有歷史記錄才五千年，但是地球磁場反轉一次就要跨越千年的尺度。在未來千年里，地球磁場會不會反轉呢？南大西洋的地磁異常是一個信號。我們國家也很重視，并在近期發射了電磁監測衛星“澳科一號”，其中對南大西洋異常區地磁異常的監測，是一個很重要的科學目標。

▲中國地震電磁監測試驗衛星 （后）和澳科一號（前）

生活在地球是相對幸運的，至少人類存在的時候有磁場一直在保護著我們，其他星體可能就沒有那么幸運了，比如說我們的姊妹星——火星、金星。它們同樣處于地球的宜居帶里，太陽輻射溫度相對適宜，可能會適宜人類生存。但就現狀而言，火星的大氣非常稀薄，已經基本沒有大氣了。金星有大氣，但它上面的氫和氧正以2:1的比例在不斷逃逸，也就是說上面的水在不斷地流失。這些現象最直接的原因，就是火星、金星上沒有全球性的磁場，缺少保護。

對于我研究的月球而言，情況更為過分。月球沒有全球性的磁場，也沒有大氣，所以我們常說它是一個“死的星球”。“死的星球”一方面是說星球內部的動力學過程已經停止，另一方面是說因為沒有大氣和水，所以月球上可能也沒有生物。現在在月球上還沒有找到生物的跡象，至于以后能不能找到，這是未來探索的一個任務。

其實，月球在歷史上是有磁場的。而在形成的早期到10億年前，這個磁場一直在衰減，這是我們通過阿波羅采回來的樣品得出的結論。阿波羅采回來的樣品形成于不同的時期，并在形成的時候把當時月球的磁場記錄了下來。

▲來源：Cai et al., 2024

我們把測到的樣品年齡和它所記錄的磁場做了時間軸排序。我們原本認為，月球磁場在42億年前月球形成的早期最強，隨后一直在衰減（藍色的線標示），但我們從“嫦娥六號”采集返回的樣品中發現，這個20多億年前形成的樣品記錄了一個很強的磁場，也是磁場的一個高峰，這就打破了原來的說法。月球內部動力學的演化不是一個一直衰減的過程，可能中間有幾次反復。這對月球形成演化的過程研究是一個很大的挑戰，我們怎么去理解這個事情，也是值得考慮的問題。

沒有全球性的磁場之后，月球的現狀是什么樣的？在十億年前主磁場消失以后，月球現在就剩下一些小尺度的磁場結構。月球的半徑是1700公里，這些磁場尺度只有百公里，強度只有地球的1/100，是非常小的磁場。

這些小尺度磁場在月面的分布是有規律的，要么位于大型撞擊坑的旁邊，要么位于撞擊坑的對面。我們現在認為這和小行星撞擊的過程相關。在撞擊的過程中，濺射的熔融物灑落到旁邊，冷卻的時候把當時的磁場記錄下來了；或者撞擊過程形成的沖擊波、地震波，在月球里面傳播，能量在對面匯聚，讓對面的物性發生改變，記錄下當時的磁場。因為記錄的是當時的磁場，所以我們把這些磁場稱之為“剩磁”，月面的磁場也就叫月面的剩磁。

▲左：熱磁化（撞擊坑側），Wieczorek et al., 2012

右：沖擊磁化（撞擊對跖點），Hood et al., 1991

這些剩磁對月面有沒有作用呢？下圖是我們日常見到的月面的圖像。天氣好的時候，大家抬頭看月亮就能看到這樣一個圖像。月面上有一個特點，有的地方是黑色的，這些黑色的區域稱之為“月海”。也有一些地方是亮的，亮的地方是“高地”，是月球形成的、最古老的物質成分。因為高地在月面上受各種隕石、小行星轟擊的累計歷史次數最多，于是它變得坑坑洼洼、碎屑很多，而從光學上，反射率就比較高，所以看起來是白的。

但是并非所有的白的區域都是這樣，這個圖的左下角有一個特殊區域，我們把它稱之為“大白斑”，官方名字叫“Reiner Gamma大白斑”。這個區域不是一個撞擊坑，因為阿波羅計劃以及嫦娥系列的衛星早就在上面飛了好多次了，發現這個地方是平的，什么都沒有，和周圍的黑色區域是一模一樣的，但是看起來卻是白的。背后的原因是什么呢？我們經過空間物理研究的探測發現，這個地方有很強的磁場，如同地球的磁場保護地球一樣，這個地方的磁場保護了月面。

▲月面大白斑區域的磁場

月球上的“特殊”白斑

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要解釋這個大白斑，首先要從周圍的黑色區域怎么形成說起。黑色區域月面長期受到太陽風的轟擊，太陽風主要的成分是氫，氫具有還原性，而月面以氧化物為主。氧化物在氫的還原作用下，能把各種價態的鐵吸出來，形成微小的鐵顆粒。我們把這些微小的鐵顆粒稱之為“納米鐵”。納米鐵很多的地方，遠遠地看就是黑色的。大白斑沒有太陽風的轟擊，所以就呈現白色的。

如果這個理論是完美的，那么把月球上所有的白斑區域（標黃處）和所有的磁場區域做一個比對，它們應該是一一相對應的關系。但是，出現了例外，比如圓圈圈出來的這個地方是有白斑的，但是沒有磁場。所以，沒有磁場也能產生白斑。

這個白斑是怎么形成的？我們調研了大量的衛星在上方記錄的磁場，發現這個地方并不是沒有磁場，而是磁場一直在動態變化，有時候強，有時候弱，有時候正，有時候負。繪制磁場分布圖的時候，一平均，那個區域就沒有磁場了，但實際上是有動態磁場的，而且有時候很強。

▲左：白斑

右：磁場

這個動態磁場是怎么產生的？這就像你拿一個動來動去的磁鐵，不管磁鐵怎么放，都能吸住旁邊的鐵球。原因是鐵有一種特殊的性質，放在磁場里會產生一個和原來磁場一模一樣的極性，比如這個磁場是南極、北極，這個鐵也會產生一個相同方向的南極、北極，所以鐵的南極和磁鐵的北極就一直靠在一起、相互吸引。當這個磁場運動的時候，鐵產生的磁場就會動，因此，運動的磁場能讓鐵也產生一個運動的磁場。

月球這個地方的動態磁場是怎么產生的？我們知道，太陽也是有磁場的，而且是在不斷運動的過程中。我們推斷，月球的這個區域有鐵。最后，我們詳細地分析了這個地方磁場擾動的強度，發現它的磁化率是2.8。2.8磁化率的意思是太陽的磁場是1個納特，這個地方產生自己的磁場是2.8個納特，可以看出是比較強的。在自然界能產生這么強順磁化率的，基本上只能是鐵，于是我們差不多能確定這是鐵。

▲莫斯科坑區域磁化率高達2.8

但是，這個證據看起來還是不太確切。這個莫斯科撞擊區域還有另外一個特點——重力場強度非常大，達到1000 mGal。重力場在月面上的作用是什么？它其實反映出地面淺表的物質密度大小。月面上的物質一般是3.0 g/cm3，如果要產生1000 mGal的重力場強度，需要物質成分的密度非常大。如果用鐵去理解這個物質，問題就迎刃而解了，鐵的密度是7.8 g/cm3。所以，從磁場和重力的證據，都可以說明這個地方可能有大規模的鐵。

▲莫斯科坑區域的極端重力異常

事實上，鐵在月面上是很難存在的，原因跟月球的起源有關。現在最流行的理論是，月球起源于地球被一個小行星的撞擊，在撞擊的過程，地球最表面的那一層物質被打出來了，我們稱之為分異成功，分異就是重的成分已經沉到地心里，輕的成分浮在上面。

表面的物質是比較輕的，鐵這些重成分在地核里沒有被打出來，所以形成的月球是比較輕的，而且貧鐵的。因此，不是我們聰明，能提出來說這個地方有鐵，別人就沒想到，而是這些理論阻止了他們去想。

事實上，月球還有大規模的鐵富集。既然月球形成的過程不能產生鐵，那么這些鐵到底怎么來的？內源不行我們就向外找外源帶來物質，其中很重要的過程就是撞擊。一般來說，月球上的撞擊坑都是對稱的，要不就是一個圓，但是莫斯科坑這個地方是一個橢圓。常規的月面環形山如果有兩個，應該是同心的，但是這個區域是橢圓的且偏心的。

▲左：常規月面環形山的對稱形貌

右：莫斯科坑的非對稱形貌

更特別的是，莫斯科坑內部還有一個月牙形的隆起，根據最致密的物質分布圖（右下圖）顯示，在這個隆起的后面，像是有一個東西沖擊過來、撞擊，然后陷在里面了。我們提出外來物質陷在這兒的設想，但是這個設想，在地學里面是天方夜譚，不太可能。因為月球撞擊的速度一般是10-20 km/s，首先撞擊的坑應該是圓形的、對稱的，其次撞擊來的物質都會被氣化、熔融，然后散掉了，不可能留在坑內。

▲左：莫斯科坑的非對稱形貌

右：莫斯科坑的非對稱重力異常

于是，我們就提出低速斜撞擊的設想，類似拿個鐵球扔到泥坑里，泥坑咕咚鼓起來一塊兒，然后鐵沉進去的過程。但這個在地學上來說是很費解的。我們所是傳統的地學大所，門類非常廣泛，有做各行各業的人，于是我找到一個做撞擊的同事。他一開始也不相信，因為月球上的撞擊不可能很低速。我就求著他，讓他做一個幾公里速度的撞擊，斜著撞，撞了以后發現，可以產生這種非對稱的結構。而且最重要的是，如果是鐵撞擊的，確實可以陷到地底下。

那么這個鐵從哪兒來呢？自然界是不是有鐵呢？在火星和木星之間，有一個主帶小行星帶，這個區域有10%的小行星是鐵質的，而且通過內部的碰撞與軌道動力學，有一定概率能到達月球，雖然這個概率是非常低的。

我們剛才說月球起源的時候，說撞擊是把地幔外邊的一層輕的物質撞出來。但是，成都理工大學的劉耘教授提出，這個地核也可以被撞出來。如果在月球形成之后，這個地核的物質也在月球軌道，最終落到月球上，也可以形成這種低速的撞擊。

進入月之暗面

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從上面這些介紹可以看出，磁場作為太空探索里一個很重要的元素，可以把很多圈層串聯起來。雖然這個探測是空間物理的探測，但可以把地球動力學跟地球物質成分都聯系起來，是一個很重要的標志。

我們國家的嫦娥探月計劃已經進行得很順利了，實現了繞、落、回，現在已經到了探月四期的探測。2026年，可能就是“嫦娥七號”的發射任務了。

“嫦娥七號”由多個平臺組成的，比較復雜，有環繞器、著陸器。著陸器以后還有一個車下來跑，跑了之后還有機器狗。機器狗可以跳到隕石坑里。而環繞器上和著陸器上都裝了磁相機，利用這個機會，我們可以用環繞器探測背景的磁場，用著陸器上探測月面的磁場變化。雖然設備的安置，是為了探測空間環境，但是我們計劃未來用這個設備來探測地底下的這些成分的信息。

另外，“嫦娥七號”和前面設備有一個很大的區別與進展，就是要落到南極永久陰影區。南極永久陰影區是在南極和北極的撞擊坑。在月球自轉的過程中，南極永久陰影區無法被太陽光進入，所以里面的溫度是極低的。

太陽風轟擊月面，除了形成鐵之外，它和氧化物結合可以形成羥基或者水。水分子在月面上因為熱運動跳來跳去，最后有概率跳到南極永久陰影區里。目前，根據遙感的數據，月球南極陰影區里面是有水的，也許是以冰的形式存在。

水是人類生存非常重要的資源。月球上有水的事情如果是真的，人類未來上月球居住就不是問題了，雖然現在沒有氧氣，但水只要一電解就是氧氣了。不過這只是一個理論，按照剛才說的說法，如果有局地磁場的區域，太陽風是不能轟擊的，原則上這個地方也不能有水。

下圖是美國NASA一個探測器的光譜分析，我們試圖從中了解月面水資源的情況，但非常粗糙，沒有辦法知道水和磁場的關系。

未來，我們中國的載人登月計劃里面，前期有一些驗證任務，可以做一些探測。其中強磁場區是這些驗證任務里很重要的一個備選落點。

現在嫦娥計劃已經完成了一個轉變，前期都是做環境的探測，“嫦娥七號”以后，開始找水，變成一種資源的探測。繞落回的“回”其實設備是不需要的，要回來的是人。人一定是要上去的，但是人上去就涉及到資源的問題。所以，在未來，磁場的探測在中國探月計劃里面會發揮比較重要的作用。

以上就是我分享的月球磁場探測相關內容。謝謝大家！

文章轉載自“格致論道講壇”微信公眾號