Umeå University's logo

Contrary to the common belief that the Moon is completely airless, it possesses a tenuous exosphere--a sparse, collision-less atmosphere where atoms and molecules drift without colliding. Without the protection of a dense  atmosphere as on Earth, the lunar surface lies exposed to the space environment. Over time, meteorite impacts break down the Moon’s rocky crust, creating a fine, porous layer known as the lunar regolith. This surface directly interacts with the solar wind, a stream of charged particles from the Sun’s outermost atmosphere. While much of the solar wind is absorbed by the regolith, a significant portion reflects back into space, sometimes altering their charge state to become neutral or even negative. Backscattered positive ions and energetic neutral atoms have been detected from orbit, yet negative ions have proven elusive due to their short lifetimes--these ions readily lose their extra electron under solar irradiation before they can reach orbiting spacecraft.

The Negative Ions at the Lunar Surface (NILS) instrument was developed to measure negative ions directly at the lunar surface. NILS can detect both negative ions and electrons, with capabilities for both energy and mass discrimination. The much more abundant electrons can be filtered out through a compact electromagnetic suppression system. The instrument was built and thoroughly calibrated at the Swedish Institute of Space Physics. A novel mathematical method was developed to determine its geometric factor using the negative ion beam generated by a custom-built negative ion source.

NILS was successfully flown aboard the Chinese Chang’e-6 mission to the lunar far-side, becoming the first dedicated mass-resolving negative ion analyser deployed beyond Earth orbit. The instrument returned approximately six hours of data from the lunar surface. Through these observations, NILS revealed that about 1.1% of the precipitating solar wind protons are reflected back to space as negative hydrogen ions, corresponding to a day-side surface density of 0.07 cm⁻³. These negative ions exist in a thin, surface-bound layer with a scale height of about 10 km, explaining why they have eluded orbital detection. Additionally, an upper limit of 3 cm⁻³ was determined for the density of sputtered negative oxygen, with the true value likely an order of magnitude lower.

These findings introduce negative ions as a newly recognized trace species in the Moon's near-surface environment. Backscattered negative ions offer a novel approach to remotely measure the electrical surface potential. Furthermore, sputtered negative ions, along with positive ions, hold potential for remote analysis of surface composition.

Tvärtemot vad många tror saknar inte månen en atmosfär. Den omges av en tunn exosfär – en atmosfär där molekyler och atomer rör sig utan att kollidera med varandra. Den tunna exosfären förmår inte skydda månytan från rymdmiljön. De meteoriter som träffar månen slår sönder den steniga ytan och skapar ett finkornigt, poröst lager som kallas regolit.Solvinden, en ström av elektriskt laddade partiklar från solens yttre atmosfär, växelverkar direkt med regoliten. Den största delen av solvinden absorberas men en betydande andel av de positivt laddade solvindsjonerna reflekteras tillbaka ut i rymden. Då de reflekteras förändras ibland jonernas laddning: de kan bli neutrala eller till och med negativt laddade. Från satelliter i omloppsbana kring månen har både postivt laddade och neutrala partiklar detekterats. Några negativa partiklar har dock inte uppmätts. Livslängden av en negativt laddad partikel är så kort att partikeln inte röra sig särskilt långt innan solstrålningen gör att den blir av med den extra elektronen.

Instrumentet NILS (Negative Ions at the Lunar Surface) utvecklades för att mäta negativt laddade joner nära månytan. NILS kan detektera både negativt laddade joner och elektroner och kan avgöra både energin och massan på de partiklar som registreras. NILS har ett elektromagnetiskt system för att filtrera bort elektronerna när jonmätningar utförs. Instrumentet byggdes, testades och kalibrerades vid Institutet för rymdfysik. En ny matematisk metod togs fram from att bestämma instrumentets geometriska faktor, utgående från de tester som gjordes i kalibreringssystemet. En specialbyggd källa för negativt laddade joner användes för att skapa en partikelstråle som NILS besköts med. 

NILS var en del av den lyckade kinesiska expeditionen Chang’e-6 till månens baksida. NILS blev det första joninstrumentet med massupplösande förmåga, specialiserat på negativt laddade joner, som färdats bort från den nära rymden kring jorden. Instrumentet leverarade ungefär sex timmar med data från månytan. Dessa observationer visade att ungefär 1.1% av de solvindsprotoner som träffar månen reflekteras tillbaka som negativt laddade vätejoner. Det motsvarar en densitet på 0.07 cm⁻³ nära ytan på dagsidan. De negativa jonerna existerar bara i ett tunt lager nära månytan, med en skalhöjd av ungefär 10 km, vilket förklarar varför de inte har observerats från omloppsbana. Mätningarna ger också en övre gräns för densiteten av sputtrade negativt laddade syrejoner på 3 cm⁻³. Troligtvis är det korrekta värdet en storleksordning mindre.

NILS upptäkter introducerar negativt laddade joner som ett nytt spårelement i månens exosfär. Reflekterade negativa joner ger en ny möjlighet att bestämma månytans elektriska potential. En mätning av sputtrade negativa joner ger information om ytans kemiska sammansättning. 

Contrairement à l'idée reçue selon laquelle la Lune est totalement dépourvue d'air, elle possède une exosphère ténue : une atmosphère éparse, sans collisions, où les atomes et les molécules dérivent sans s'entrechoquer. À la différence de la Terre, la surface lunaire est exposée sans protection à l'environnement spatial inaltéré. Avec le temps, les impacts de météorites fragmentent la croûte rocheuse de la Lune, créant une fine couche poreuse appelée régolithe lunaire. Cette surface interagit directement avec le vent solaire, un flux de particules chargées provenant de la haute atmosphère du Soleil. Bien qu'une grande partie du vent solaire soit absorbée par le régolithe, une proportion importante est réfléchie dans l'espace, parfois en changeant de charge pour devenir neutre ou même négative. Des ions positifs et des atomes neutres énergétiques réfléchis depuis la surface ont été détectés depuis l'orbite, mais les ions négatifs sont restés insaisissables en raison de leur courte durée de vie : ces ions perdent rapidement leur électron supplémentaire sous l'effet de l'irradiation solaire.

Pour relever ce défi, l'instrument NILS (Negative Ions at the Lunar Surface) a été développé pour mesurer les ions négatifs directement à la surface de la Lune. NILS peut détecter à la fois les ions négatifs et les électrons, avec une discrimination en termes d'énergie et de masse. Les électrons, beaucoup plus abondants, peuvent être filtrés grâce à un système compact de suppression électromagnétique.

L'instrument a été construit et minutieusement calibré à l'Institut Suédois de Physique Spatiale. Une méthode mathématique innovante a été développée pour déterminer son facteur géométrique en utilisant un faisceau d'ions négatifs généré par une source d'ions négatifs spécialement conçue.

NILS a été embarqué avec succès à bord de la mission chinoise Chang'e-6, qui a atterri sur la face cachée de la Lune, devenant ainsi le premier analyseur d'ions négatifs à résolution de masse déployé au-delà de l'orbite terrestre. L'instrument a renvoyé environ six heures de données de la surface lunaire. Grâce à ces observations, NILS a révélé qu'environ 1.1% des protons du vent solaire se précipitant vers la surface sont renvoyés dans l'espace sous forme d'ions hydrogène négatifs, correspondant à une densité de surface côté jour de 0.07 cm⁻³. Ces ions négatifs existent dans une fine couche près de la surface avec une hauteur d'échelle d'environ 10 km, expliquant pourquoi ils ont échappé à la détection depuis l'orbite. En outre, une limite supérieure de 3 cm⁻³ a été établie pour la densité d'oxygène négatif pulvérisé, bien que la valeur réelle soit probablement inférieure d'un ordre de grandeur.

Ces résultats présentent les ions négatifs comme une nouvelle espèce en trace détectée dans l'environnement proche de la surface lunaire. Les ions négatifs réfléchis offrent une nouvelle approche pour mesurer à distance le potentiel électrique de surface. Par ailleurs, les ions négatifs pulvérisés, ainsi que les ions positifs, offrent un potentiel pour l'analyse à distance de la composition de la surface.