撰稿 / 朱富國（科學推展中心特約編輯）

審訂 / 賴淑華 專案助理研究員（中央太空研究中心）

　　隨著美國NASA的「阿提米絲」（Artemis）計畫重返月球，以及世界各國紛紛啟動新一輪的探月競賽，月球的各種未解之謎，再度重回世人的焦點。例如，自1960年代起，科學家便反覆觀測發現月球上空，常出現詭異的局部磁場增強事件。[1]這種類似震波的「外部磁場增強」（External Magnetic Enhancements, EMEs）現象，磁場強度有時可達背景值的數十倍，甚至可延伸到數百公里的高空。

　　近期，國立中央大學太空科學與科技研究中心助理研究員賴淑華、淡江大學航空太空工程學系助理教授汪愷悌與中央大學太空科學與工程學系教授楊雅惠，率先運用非線性「克耳文-亥姆霍茲不穩定性（Kelvin–Helmholtz instability, KHI）」機制，為這個困擾科學界超過60年的謎團，提供了結合觀測與數值模擬的理論解釋，相關研究成果發表於國際頂尖天文期刊《The Astrophysical Journal Letters》（ApJL）2026年3月號刊物。

太陽風主導磁場變化
　　由於月球缺乏全球磁場，僅部分地殼存在磁性物質，當太陽風吹過這些月球磁力異常區域，會形成「迷你磁層」（Minimagnetosphere），而太陽風與迷你磁層之間的「速度切（Velocity shear）」會觸發非線性KHI並在速度切層間形成渦流增強磁場，或誘發快模震波（Fast-mode shocks）並延伸至月表上空產生外部磁場增強EMEs。[2]
 

圖1　為兩種太陽風速度下，形成渦流與快模震波的過程。藍線表示地殼磁異常區，灰線表示初始的迷你磁層頂，黑線則顯示了受非線性KHI表面波扭曲的磁層頂。在太陽風速度較慢的情況下（圖1 (a)），邊界上會形成經典的渦流結構，產生明顯增強的電磁波。圖1 (b)則是在更高的太陽風速度下，所產生的快模震波（綠色曲線），可以被遠高於地殼磁場影響高度的衛星所探測。

　　研究利用觀測約束的磁流體動力學（magnetohydrodynamic,MHD）模擬證明，高速太陽風（400 km/s）所導致的KHI非線性演化結果能產生向外擴張的類馬赫錐波（Mach-cone-like wave），其幾何形態類似超音速物體產生的馬赫錐，即前面所提到的「快模震波」，不僅能延伸至月球上方數百公里處，磁場強度可增強至環境背景的3倍（案例1）；速度每秒360公里的太陽風，則會產生紊亂複雜的多峰磁場（案例2）；而慢速太陽風（250 km/s）會產生典型的巨大渦流，並使得局部磁場強度不斷累積放大至環境值的30到40倍（案例3）。前述案例1無論磁場強度或震波高度，都與「月球勘探者號」（Lunar Prospector）過去的觀測數據精確吻合。

圖2　為KHI非線性演化之模擬結果。左上圖顯示平衡態磁場強度（黃線代表磁力線，紅色箭頭指示太陽風流向），右上圖顯示案例1-3的演化結果，下圖顯示了100公里高度處的磁場變化。
在「震波主導（shock-dominated）」的案例1、2中，100公里高度的磁場峰值僅為背景太陽風磁場數倍，快模震波的形成會從邊界層吸收能量，並阻礙表面波發展。而「渦流主導（vortex-dominated）」的案例3中，迷你磁層頂附近可局部放大磁場至上游值的數十倍，且由於沒有形成快模震波，渦旋得以持續不受阻礙地成長。

降低深空探勘風險
　　本研究最重要的貢獻，在於將KHI非線性演化路徑歸納為「震波主導」與「渦流主導」兩種型態，為EMEs成因歸納出「統一的物理框架」。另一方面，此項研究成果應用範圍並不侷限於月球，對於同樣不具備全球磁場、同樣出現EMEs的火星或其他太陽系弱磁化天體而言，太陽風與其相互作用也可能遵循相同的機制。

　　研究團隊表示，從深空探勘研究甚至建立地外研究基地的實務角度來看，掌握電漿環境和局部磁場變化的交互作用機制，對於評估太空船降落風險、通訊干擾以及酬載儀器的布局皆至關重要，有助於大幅降低潛在風險。

參考文獻：
[1] Ness, N. F., Behannon, K. W., Taylor, H. E., & Whang, Y. C.(1968), Perturbations of the interplanetary magnetic field by the lunar wake. Journal of Geophysical Research. DOI: 10.1029/JA073i011p03421Digital Object Identifier
[2] Lai, S.H., Wang, K., & Yang, Y.H. (2026). Shock-like Magnetic Enhancements Generated by Kelvin–Helmholtz Instability above Weakly Magnetized Bodies. The Astrophysical Journal Letter. DOI: 10.3847/2041-8213/ae4745