月球对地球有多重要？

这些陨石，有些原本会砸在地球上……

月球上的陨石坑（图片来源：veer图库）

科幻片里骇人的滔天巨浪：

巨浪是由月球变轨引起的（图片来源：《流浪地球2》）

对此，地球表示：

不过你大概不知道，在离地球几万公里的太空里，存在一片“海洋”，月球也没有“放过”它。

近日，中国科学家首次观测到地球等离子体层中存在月球潮汐信号，更新了科学家对潮汐现象的认知，表明了月球对近地空间环境的作用比既往设想的更重要，相关研究成果发表在Nature Physics上（点击“303 See Other“查看原文）

有趣的是，这个成果的产生，源于一个看似不相关的数据库。

首先，让我们复习一下月球潮汐现象

月球对地球最直接的影响，是潮汐现象。由于月球的引力，地球上的海水会形成一个椭圆，大潮最高点总是正对着月球。（注意：月球潮汐现象很复杂，涉及到太阳与离心力等，这里只是采取最简单的描述。）

我们常见的海洋潮汐是半日潮和半月潮：也就是说在一天之内会有两次涨潮退潮的过程（白天海水上涨叫做“潮”，晚上海水上涨叫做“汐”）；以半个月为周期，潮汐的高度随月相（月亮的各种圆缺形态）出现改变。

在地球的固态、液态、气态等各个圈层中，我们都能观察到月球潮汐现象，比如大气的密度随着月相出现改变，改变的趋势也与海洋潮汐类似。这些潮汐现象深刻地影响着地球和人类：地壳潮汐可能引发地震和火山活动；海洋潮汐可以影响从赤道到极地的热量流动，以及生物从海洋登上陆地的演化过程；大气潮汐会影响全球的降雨；电离层潮汐则可以影响无线电传输和近地轨道卫星高度。

那么，在离我们更远的地方，月球还会有影响吗？比如，在“地球等离子体层”里。

地球等离子体层——物质第四态的海洋

物质拥有四种形态，固态、液态、气态、等离子体态。等离子体是物质的第四态，可以看成是“被电离的气体”，内部包含电子和离子等带电粒子和中性粒子，整个宇宙里99%以上的物质都是等离子体态。

在地球电离层上部， 1000 km至3 6个地球半径的空间内，有一个环状的冷等离子体聚集区域，这就是地球等离子体层 （Plasmasphere），可以把它想象成一个“甜甜圈”，包裹着地球。

地球等离子体层示意图

嫦娥三号极紫外相机观测到的地球等离子体层

这里的等离子体冷而致密，就像一个充满等离子体的”海洋”。而随着与地球距离越来越远，“海洋”里的物质密度急剧减小，还存在非常明显的外边界，这个边界被称为等离子体层顶（plasmapause），层顶代表了“海面”，平均状态下，层顶距离地心4个地球半径（2万~3万公里）。它的高度并不固定，经常发生变化，如果在排除其他因素的情况下，层顶的高度变化与月球周期存在关系，那就可以说，地球的等离子体层存在月球潮汐现象。

问题来了，在地球上，我们可以观测海面的高度，用声波探测地壳的变化，用气球探测大气的密度变化，在离地球几万公里的地方，如何探测“海面”的变化？答案是：用卫星。

世界上最大的数据库，引发了一次奇想

在等离子体层顶附近，电子和离子密度降低，等离子体参数、等离子体波和其他电磁现象都会在此处发生突变，卫星穿过这个区域时就会记录下特异的参数，相当于“标记”出等离子体层顶的位置了，把大量等离子体层顶的位置数据集合起来，就能分析“海面变化”了。

科学家也的确是这么做的，本次研究利用了世界上最大的地球等离子体层顶数据库，不过这个数据库，出自原本不研究月球潮汐的学者。

中国科学院地质地球研究所的何飞研究员，研究方向是地球与行星物理。为了研究等离子体层顶对太阳风和地磁变化的响应，他从研究生时代开始，就在导师张效信研究员（国家卫星气象中心）带领下，开始了建立地球等离子体层顶数据库的工作。建库工作长达9年，他们搜集了近40年（1977~2015）间18颗卫星的观测数据近10万条，其中包括卫星穿越和对等离子体层“拍照“（包括嫦娥三号在月球拍摄的地球等离子体层图像）的数据。这些卫星来自不同国家，是目前最大的地球等离子体层顶数据库。

数据库里包含的卫星数据量

该数据库发表之后，其他研究者发现，他们有了一个新的“数据武器”，可以研究等离子体层里的月球潮汐现象了！

山东大学的史全岐教授团队、北京航空航天大学刘文龙教授团队与何飞研究员团队尝试把等离子体层边界位置做了基于月相的分析，果然发现了潮汐的特征：与地球上的潮汐现象类似，等离子体层边界位置出现了周期性的波动；不同的是，最高点始终在月球前方90度 （月球后方90度是低潮），并不是在与月球的连线上。并且这个“海洋”里的潮汐周期是全日/全月。

下图中的红色标记处就是等离子体层的最高点，运动的小球代表月球。

等离子体层顶潮汐信号动态示意图（制图：论文第一作者山东大学肖超博士后）

等离子体层里的月球潮汐是怎么形成的？为什么与地球上的潮汐现象有区别？刘文龙教授团队进一步分析了数据库中的电场数据，发现原因是这里的潮汐现象受到引力和电磁力的共同作用。

而为何地球上常见的半日/月潮在等离子体层里会变成全日/月潮，就是科学家们下一步要解决的问题了。

海洋潮汐（蓝色部分）与等离子层顶潮汐（橙色部分，凸起部分代表高潮）对比（图片来源：山东大学）

结语

许多年前，人们发现海洋潮汐现象，靠的是观察，现在发现地球等离子体层潮汐现象，科学家靠的是数据。这也正是科学研究范式改变的一个实例。

历史上的科学研究经历了基于观察、假说和验证的经验科学，到基于理论分析、概括和总结的理论科学，再到基于建立模型、计算和分析的计算科学三个阶段。而现在，科学研究正在进入一个崭新的阶段。数据不再仅仅是科学研究的结果，而且变成科学研究的活的基础；科研从假说驱动转向数据驱动，从发现因果性转为寻求相关性，开辟了科学知识生产新的逻辑通道。

可以说，以“数据密集型”和“大数据”驱动的科学研究范式带来了科研方法论的变革，正成为科学发现的新引擎。

参考资料

[1] 吕景天，张效信，何飞，黄聪. 2023. 地球等离子体层研究进展. 地球与行星物理论评（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：张文韬

审核：中国科学院地质与地球物理研究所 何飞 研究员