月球，这颗沉浸在太阳风等离子体中的无大气天体，却意外地拥有自己的“光影秀”。尽管月球周围的中性气体极其稀薄，但在阿波罗任务中，宇航员和光学设备却多次目睹了类似于地球气辉或极光的高空发光现象——月球“辉光”（图1）。这种发生在真空环境中的奇景，最终被归因于悬浮在月球上方的微米级月壤颗粒（月尘），它们通过散射太阳光制造了月球的“虚假大气”。

然而，谜题随之而来：在没有风的月球上，这些月尘是如何脱离月面，飞向数百千米高空的？

图1 美国宇航局Clementine卫星观测到的月球高空辉光

经典理论与两大瓶颈：电场失能的困境

科学家们早已确定，月球表面并非静电沉寂之地。辐射和太阳风等离子体的轰击，使月面和月尘颗粒带上同性电荷。同性相斥，由此产生的静电场足以克服月尘的微小重力，将它们像 “喷泉”一样喷射出去。这种机制解释了月尘颗粒为什么会飞起来，但其解释能力在面对实际观测时，却遇到了两大难以逾越的障碍：

首先是高度的限制——德拜鞘层的“天花板”。经典的等离子体理论认为，月面产生的静电场被限制在一个非常薄的过渡区域内，即德拜鞘层，其厚度仅有几十米。这完全无法解释宇航员和卫星观测到的、高达数百千米的高空辉光现象。

其次是脱离的困难——范德华力的“胶水”。微米级的月壤颗粒与月面之间，存在着强大的范德华粘滞力。在微米尺度上，这种分子间作用力远超静电力和重力，如同胶水一样将月尘牢牢地粘附在月面上。除非电场强度达到极高的门槛，否则静电力根本无法克服粘滞力将月尘剥离。这也暗示着月尘的产生并非持续现象，而是一种有条件、偶发的静电极端事件。

研究的突破：发现跨越千千米的“预鞘层”电场

为了解决高空辉光的起源瓶颈，中国科学院地质与地球物理研究所张辉研究员团队通过整合卫星观测、遥感数据和等离子体动力学数值模拟，取得了关键性的突破：在月表德拜鞘层之外，发现了一个全新的、尺度巨大的电场区域——“预鞘层”（图2）。

图2 月球在太阳风中时（红色箭头），沉浸在一个尺度为数千千米的大势井中（预鞘层绿色网格）

这一发现彻底打破了电场只局限于月面的传统认知，它具有决定性的特征：这个“预鞘层”电场沿着行星际磁力线向外延伸，尺度可达数千千米，一举突破了德拜鞘层的高度限制。更重要的是，该电场强度最高可达600 mV/m。这一强大的电场，不仅为月尘提供了直达高空的 “电梯”，其高强度也能在特定时刻提供足够的力量，克服范德华粘滞力，将月尘剥离月面。

在“预鞘层”的框架内，所有关于月球高空辉光的谜团都得到了完美的解释：这种电场是由月面对太阳风电子的吸收产生的，并受行星际磁场和太阳风速度的方向和强度所控制。当磁场与太阳风速度恰好呈准平行的特定几何结构时（图2中红色箭头与蓝色箭头几乎平行或反平行），预鞘层电场在月球晨昏线上方达到最强，它们沿着磁力线向上加速带电月尘，完美解释了辉光倾向于出现在该区域的原因、其偶发性、以及其射线状结构。通过这一机制，月球的“幽灵辉光”之谜终于得到了统一的解答。

深远意义：月球成为等离子体物理的天然实验室

月球预鞘层电场的发现，不仅重塑了我们对月球周边环境的认知，还具有重要的跨学科价值。强大的预鞘层电场成为了行星际空间和天体表面之间物质逃逸与交换的重要驱动力，深刻影响了无空气天体的表面演化，在未来的太空任务中应受到足够的重视。

更重要的是，月球是真正意义上的天然等离子体物理实验室。在地面实验室中，等离子体边界层（如鞘层）因尺度太小而难以直接测量。但在月球上，德拜鞘层（几十米级）和预鞘层（数千千米级）的尺度都被自然放大，使它们成为研究等离子体边界层物理的理想天然实验室。月球预鞘层的动态扩展性，表明工业等离子体中，预鞘层会在短时间内横扫整个装置，从而对等离子体特征产生显著影响。未来对“预鞘层”的持续探测，不仅是为了揭开月球的秘密，更是为了将观测结果与地面研究进行交叉验证，从而推动受控核聚变、半导体加工等高科技应用的发展。