作為地球唯一的天然衛(wèi)星，月球對地球生態(tài)環(huán)境以及人類活動具有重要影響。千百年來，月球本身和地月相互作用等問題受到關注。月球對地球最直接的影響是潮汐效應，其中最具代表性的是海洋潮汐。此外，人類在地殼、大氣和電離層等不同高度區(qū)域都頻繁地觀測到月球潮汐現象。以上這些區(qū)域中的物質以固、液、氣三態(tài)為主，其中的月潮特征由月球引力直接導致，且大都以半日和半月周期變化為主。以海洋潮汐為例，如圖1中地球表面附近的藍色部分所示，兩個高潮分別出現在月球地方時的正午和午夜側，即地月連線附近，兩個低潮則分別出現在月球地方時的晨昏側即垂直于地月連線附近。然而，在更為廣袤的地球磁層中，物質以稀薄的第四態(tài)——等離子體形態(tài)存在，其中的引力作用往往因遠小于電磁力而被忽略，那里是否存在月球潮汐信號？科學家對此還不清楚。 

　　近日，山東大學博士后肖超、中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室研究員何飛與魏勇，以及北京航空航天大學等國內外多個單位科研人員合作，利用包括我國嫦娥三號在內的多顆衛(wèi)星觀測數據，通過分析等離子體層頂位置隨月相的變化情況，首次觀測到地球等離子體層中存在月球潮汐信號。 

　　該研究通過分析國內外近40年來十余顆衛(wèi)星（包括我國嫦娥三號、美國THEMIS、歐洲Cluster等）穿越地球磁層“冷等離子體海洋”（即等離子體層）的數據（該數據庫由地質地球所研究員何飛和張效信等建立，是目前最大最完整的等離子體層頂位置數據庫），首次發(fā)現等離子體層頂（即等離子體層的外邊界）的位置存在清晰的月潮變化。圖2a顯示，這個潮汐信號的最大振幅約為800 km，圖2b的二維離散傅里葉結果表明其周期是全日和全月周期的（高潮出現在太陰日的昏側附近，低潮出現在太陰日的晨側附近，如圖1中橙色部分以及圖2d所示），其特性顯著區(qū)別于絕大部分低高度（如地殼、海洋和大氣等）潮汐信號：存在全日周期和全月周期，且高潮只有一個且出現在月球地方時的昏側附近，其相位領先月球約90度，對應的低潮只有一個且出現在月球地方時的晨側附近（如圖1中橙色部分所示）。 

　　進一步，該研究探討了等離子體層月潮的形成機制。等離子體層頂的位置主要受到磁層徑向電場的影響和調制。研究通過分析電場觀測數據發(fā)現，徑向電場顯示出全日和全月周期的潮汐變化，且與等離子體層頂的潮汐信號相對應。上述研究表明等離子體層頂高度的潮汐變化可能是由電場的潮汐變化引起的，同時，該形成機制也被兩種等離子體層頂模型所檢驗。這表明引力和電磁力的共同作用導致等離子層頂潮汐信號特征顯著區(qū)別于近地面區(qū)域僅由引力引起的潮汐信號。 

　　這一新發(fā)現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(huán)境的作用比既往設想的更重要，拓展了地月系統(tǒng)相互作用的研究，并有助于進一步探索其他行星系統(tǒng)中衛(wèi)星和行星的相互作用過程。相關研究成果發(fā)表在Nature Physics上。研究工作得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金項目、中科院青年創(chuàng)新促進會、地質地球所重點部署項目的支持。 

　　論文鏈接 

圖1.海洋潮汐（藍色部分）與等離子層頂潮汐（橙色部分）對比。 

　　圖2.等離子體層頂潮汐信號直接觀測證據。（a）等離子層頂位置擾動幅度（△L_PP，單位為地球半徑R_E，1 R_E=6371 km）隨月相（LP）和磁地方時（MLT）的變化情況；（b）等離子層頂位置擾動的二維傅立葉譜，清晰顯示為全日和全月周期；（c）窗口平滑后的擾動等離子層頂位置隨月相和磁地方時的變化情況，出現了更清晰的潮汐信號；（d）將不同月相下的歸一化的擾動等離子層頂位置轉換到月球地方時（LLT）的結果，可以清晰地看到等離子體層月潮存在全日周期和全月周期，且高潮只有一個并出現在月球地方時的昏側（LLT=18點）附近，其相位領先月球約90度，對應的低潮只有一個且出現在月球地方時的晨側（LLT=6點）附近。