近月空間帶電粒子環(huán)境
——“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”觀測(cè)結(jié)果

王馨悅，張愛(ài)兵，荊 濤，孔令高，張珅毅

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

引 言

20世紀(jì)六七十年代，人類(lèi)已經(jīng)在Apollo 和Ex‐plorer 等探月過(guò)程中開(kāi)展過(guò)月球空間環(huán)境探測(cè)，并形成了對(duì)月球帶電粒子環(huán)境基本特征的初步認(rèn)識(shí)[1-2]。當(dāng)新一輪探月高潮再次興起時(shí)，月球空間帶電粒子及其與月球表面相互作用過(guò)程再次引起了人們的關(guān)注。2007—2009年，國(guó)際社會(huì)連續(xù)發(fā)射了“月女神”探測(cè)器 （SELenological and ENgineering Explorer，SELENE）衛(wèi)星、Chandrayaan-1 衛(wèi)星、LRO（Lunar Reconnaissance Orbiter）衛(wèi)星，對(duì)近月空間帶電粒子進(jìn)行觀測(cè)。我國(guó)于2007 和2010年分別成功發(fā)射了“嫦娥1號(hào)”和“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星，并對(duì)月球附近的帶電粒子環(huán)境開(kāi)展了探測(cè)[3-8]。

“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星是2 顆三軸穩(wěn)定的繞月極軌衛(wèi)星，分別于2007年10月24日和2010年10月1日發(fā)射，飛行高度為200 km 和100 km，軌道周期為127 min和118 min。衛(wèi)星上安裝的空間環(huán)境探測(cè)儀由一臺(tái)太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器（High-energetic Par‐ticles Detector，HPD）和兩臺(tái)太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器（Solar Wind Ion Detectors，SWID），分別為SWIDA/SWIDB 組成?？臻g環(huán)境探測(cè)儀的科學(xué)目標(biāo)是探測(cè)月球的空間環(huán)境，研究月球空間的高能粒子和太陽(yáng)風(fēng)離子的成分、通量、能譜及其時(shí)空演化特征，以及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)月球空間環(huán)境的影響[3-8]。

月-地距離約為60Re，在超過(guò)80%的時(shí)間內(nèi)，月球處于太陽(yáng)風(fēng)中，其它時(shí)間則位于地球磁尾，由于沒(méi)有內(nèi)稟磁場(chǎng)和稠密大氣層的保護(hù)，等離子體、宇宙線和太陽(yáng)光輻射直接轟擊月球，與月表相互作用，呈現(xiàn)出月表充電[9]、太陽(yáng)風(fēng)離子在月表反射或?yàn)R射月球物質(zhì)等現(xiàn)象[8]。“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”空間環(huán)境探測(cè)儀除了觀測(cè)到太陽(yáng)活動(dòng)低年月球附近的帶電粒子環(huán)境基本特征外，還發(fā)現(xiàn)了月球附近頻發(fā)的能量電子急劇增加引起月球衛(wèi)星表面充電電位可達(dá)負(fù)上千伏的現(xiàn)象、太陽(yáng)風(fēng)離子在月表的反射現(xiàn)象以及月球稀薄大氣層H和He的太陽(yáng)風(fēng)起源的證據(jù)等。

1 “嫦娥”衛(wèi)星空間環(huán)境探測(cè)儀

1.1 太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器

太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間環(huán)境探測(cè)研究室研制，其科學(xué)目標(biāo)是探測(cè)月球軌道空間的高能質(zhì)子、電子和重離子能譜隨時(shí)間的演化特征。HPD 的觀測(cè)對(duì)象是4～400 MeV 的質(zhì)子、＞100 keV、＞2 MeV 的電子以及 13～105 MeV 的 He、34～210 MeV 的 Li、B、Be 和 117～590 MeV 的 C、N、O離子，探測(cè)指標(biāo)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)可能誘發(fā)衛(wèi)星單粒子效應(yīng)和衛(wèi)星充電效應(yīng)，威脅衛(wèi)星安全的高能粒子種類(lèi)和能譜。

HPD 的傳感器由3 片半導(dǎo)體硅探測(cè)器組成，探測(cè)器視場(chǎng)角60o，帶電粒子在傳感器中以電離方式損失能量，根據(jù)3 片半導(dǎo)體硅探測(cè)器輸出能量的不同，可區(qū)分粒子成分和能量。HPD 安裝在衛(wèi)星頂部，視場(chǎng)方向?yàn)槌煜?。圖1～2 是HPD 探測(cè)器的照片和原理圖。HPD 的加速器定標(biāo)試驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理所與中國(guó)科學(xué)院近代物理所完成。表1是HPD 的技術(shù)指標(biāo)，觀測(cè)能道包括6 道質(zhì)子（P1～P6）、2 道電子（E1～E2）和3 道重離子（He、Li、C）。

圖1 太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器實(shí)物圖Fig.1 The photograph of the HPD instrument

圖2 太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器原理圖Fig.2 Basic principle diagram of HPD

表1 HPD技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performances of HPD

1.2 太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器

“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”安裝的太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器SWIDA/SWIDB 由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間環(huán)境探測(cè)研究室研制，它的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)是探測(cè)月球附近等離子體與月球的相互作用，獲得月球附近太陽(yáng)風(fēng)的基本特征，如速度、密度和溫度等。SWIDs 的觀測(cè)對(duì)象是月球空間0.04～20 keV 的離子，其的科學(xué)探測(cè)結(jié)果主要用于研究月球附近等離子體環(huán)境的特征和月表與太陽(yáng)風(fēng)等離子體環(huán)境的相互作用。

SWIDs 采用半球形靜電分析器，根據(jù)能量-電荷比E/Q的關(guān)系，具一定能量的正離子入射到微通道板（Micro-Channel Plate，MCP）上，可激發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)。圖3～4是SWIDs 探測(cè)器的照片和原理圖。SWIDs 有12 個(gè)探測(cè)入口，稱(chēng)為極角P1～P12，P1～P12 各有48 個(gè)能量通道，稱(chēng)為能道C1～C48。圖5是 HPD 和 SWIDs 的視場(chǎng)。表2是 SWIDs 的技術(shù)指標(biāo)。在太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器開(kāi)機(jī)、衛(wèi)星保持正飛姿態(tài)時(shí)，SWIDA 的探測(cè)視場(chǎng)近垂直于飛行方向，SWIDB 的視場(chǎng)近平行于飛行方向，如圖5所示。

圖3 太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器原理圖Fig.3 Basic principle diagram of SWIDs

圖4 太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器Fig.4 Solar wind ions detector

圖5 SWIDs和HPD的視場(chǎng)示意圖Fig.5 The FOV of HPD and SWIDs

表2 SWIDs技術(shù)指標(biāo)Table2 Performances of SWIDs

2 太陽(yáng)活動(dòng)低年近月空間背景帶電粒子環(huán)境

2.1 近月空間高能粒子環(huán)境

表2比較了太陽(yáng)活動(dòng)低年，空間環(huán)境相對(duì)寧?kù)o時(shí)期，月球軌道100～200 km高度空間區(qū)域與ACE衛(wèi)星所在的行星際日-地（月）系統(tǒng)拉格朗日L1點(diǎn)附近的高能質(zhì)子、重離子He、C、N、O 的背景流量。結(jié)果表明，月球在太陽(yáng)風(fēng)中時(shí)，背景高能帶電粒子流量與行星際相當(dāng)，月球的局部磁異常、稀薄大氣對(duì)月面以上100～200 km 的高能帶電粒子影響很小。表3為月球附近和L1點(diǎn)高能帶電粒子含量。

表3Table 3 Energetic charged particles at lunar nearby and L1

2.2 近月空間太陽(yáng)風(fēng)等離子體

月球距離地心大約60Re，近似認(rèn)為它在黃道面運(yùn)動(dòng)。圖6是太陽(yáng)活動(dòng)低年，行星際磁場(chǎng)（Interplane‐tary Magnetic Fields，IMF）較弱的條件下（IMF磁場(chǎng)|B|的變化范圍0.2～18 nT，其中98% 的時(shí)間內(nèi)，|B| ≤ 10 nT），月球位于地球弓激波上游太陽(yáng)風(fēng)中時(shí)，CE-1/SWIDA 與位于L1 點(diǎn)ACE/SWEPAM（Ad‐vanced Composition Explorer/Solar Wind Electron Pro‐ton Alpha Monitor）觀測(cè)的上游行星際太陽(yáng)風(fēng)推演到月球附近時(shí)的速度、密度和溫度的比較。結(jié)果表明，太陽(yáng)活動(dòng)低年，IMF較弱時(shí)，月表以上100～200 km與行星際L1點(diǎn)的太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)具有相同的時(shí)間演化趨勢(shì)，兩者的速度偏差＜10%；密度和溫度偏差介于10%～20%。

圖6 太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器SWIDA觀測(cè)的太陽(yáng)風(fēng)密度、溫度和速度與ACE/SWEPAM觀測(cè)結(jié)果的比較Fig.6 The average solar wind speed，temperature and density near the lunar by SWIDs and by ACE/SWEPAM in planetary

圖7～8 是CE-2/SWIDB 觀測(cè)的背景太陽(yáng)風(fēng)能譜圖。在弱湍動(dòng)的太陽(yáng)風(fēng)中，大部分觀測(cè)到的太陽(yáng)風(fēng)具質(zhì)子H+單峰結(jié)構(gòu)，如圖7所示，或質(zhì)子和4He2+雙峰結(jié)構(gòu)，如圖8所示，其中，4He2+與H+含量比與行星際太陽(yáng)風(fēng)相當(dāng)，約為3%。

圖7 在2010-11-24 20：00-21：00，觀察到的背景太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子單峰Fig.7 Observations of Solar wind one-peak spectrum at UT 2010-11-24 20：00-21：00，the flux peaks was H+and 4He2+

圖8 在2010-10-8 19：00-20：00，觀察到的背景太陽(yáng)風(fēng)的質(zhì)子和4He2+雙峰Fig.8 Observations of Solar wind two-peak spectrum，the flux peaks was H+and 4He2+at UT 2010-10-8 19：00-20：00

3 高能電子流爆發(fā)與等離子體加速聯(lián)動(dòng)事件

3.1 0.1～2MeV高能電子流急劇增加現(xiàn)象

“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射入軌后，多次在月表以上100 ～200 km 發(fā)現(xiàn)0.1～2 MeV 電子急劇增加現(xiàn)象（Bursts of 0.1～2 MeV Energetic Electrons，BEE），這些現(xiàn)象多發(fā)生在穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)、弱行星際磁場(chǎng)與空間環(huán)境弱擾動(dòng)條件下。BEE 發(fā)生時(shí)，0.1～2 MeV電子峰值通量比背景電子通量至少增加一個(gè)數(shù)量級(jí)、持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 min，這類(lèi)現(xiàn)象可以發(fā)生在太陽(yáng)風(fēng)、地球磁尾、磁鞘及邊界層過(guò)渡區(qū)等月球經(jīng)歷的所有空間環(huán)境區(qū)域中。

圖9中用虛線標(biāo)示了月球在地心太陽(yáng)-黃道坐標(biāo)系（Geocentric Solar Ecliptic system，GSE）的軌跡及其經(jīng)歷的不同空間區(qū)域。圖10 統(tǒng)計(jì)了各空間區(qū)域BEE 事件的年發(fā)生率。結(jié)果表明：BEE 發(fā)生率約為125次/年；月球穿越磁層、磁鞘內(nèi)側(cè)或磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)域時(shí)，觀測(cè)的高能電子流量增加約占全部BEE事件的70%；70%的BEE 發(fā)生位置位于月球向陽(yáng)側(cè)。在持續(xù)時(shí)間只有幾分鐘的脈沖式BEE 事件中，電子背向太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)（白天），流量峰值電子的運(yùn)動(dòng)方向與星-日連線的夾角約為40°～45°；電子向陽(yáng)運(yùn)動(dòng)（夜晚），該夾角約為100°～110°。在長(zhǎng)達(dá)十幾分鐘或小時(shí)量級(jí)的BEE 事件中，流量峰值電子的運(yùn)動(dòng)方向幾乎涵蓋了所有觀測(cè)角度。

圖9 月球在GSE坐標(biāo)中，給出了太陽(yáng)風(fēng)、磁層頂和弓激波邊界層大致的位置Fig.9 Lunar position in GSEX-Y，the Solar wind，magnetopause and bow shock are indicated

圖10 各空間區(qū)域高能電子急劇增長(zhǎng)事件的年發(fā)生率Fig.10 The occurrence in one year for BEE in variable area

3.2 等離子體加速與衛(wèi)星表面充電

“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”首次在月表以上100～200 km 發(fā)現(xiàn)了多起0.1～2 MeV 電子急劇增加后衛(wèi)星周?chē)入x子體離子加速的現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)分析表明：等離子體加速現(xiàn)象約占全部BEE 的20%，且均發(fā)生在磁鞘內(nèi)側(cè)或磁層頂邊界層附近的月球向陽(yáng)側(cè)，離子中心運(yùn)動(dòng)方向指向SWIDs 視場(chǎng)，電子通量增加的持續(xù)時(shí)間超過(guò)了10 min。在其他80%未觀測(cè)到等離子體加速的BEE 事件中，衛(wèi)星周?chē)h(huán)境等離子體中心運(yùn)動(dòng)方向處于SWIDs 視場(chǎng)外，或等離子體數(shù)據(jù)觀測(cè)中斷、或磁尾區(qū)域離子濃度低于計(jì)數(shù)下限，使得SIWDs 無(wú)法觀測(cè)到環(huán)境等離子體的變化；還有一種情況是高能電子急劇增加的時(shí)間僅持續(xù)了幾分鐘。圖11～12是2 次典型的等離子體加速事件，F(xiàn)1、F2 分別對(duì)應(yīng)了“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”觀測(cè)的高能電子流量達(dá)到峰值的時(shí)間點(diǎn)，該時(shí)刻兩衛(wèi)星均位于月球從太陽(yáng)風(fēng)向磁尾運(yùn)動(dòng)、磁鞘內(nèi)側(cè)磁層頂邊界層附近。圖12中的等離子體加速是由于BEE 發(fā)生后，大量電子累積在衛(wèi)星表面，使得衛(wèi)星表面快速充電達(dá)到大的負(fù)電位導(dǎo)致的。根據(jù)等離子加速事件發(fā)生前和發(fā)生期間的離子能譜，衛(wèi)星表面電位最大降幅分別為-5.4 kV 和-2 kV。

采用電流平衡法開(kāi)展數(shù)值模擬研究的結(jié)果表明：與繞月衛(wèi)星表面充電現(xiàn)象類(lèi)似，月球附近高能電子的急劇增加可使月球向陽(yáng)側(cè)表面電位大幅下降；高能電子總流量的時(shí)間積分＞1011cm-2時(shí)，繞月衛(wèi)星和月球表面充電電位可達(dá)-1 kV。

圖11 “嫦娥1號(hào)”觀測(cè)的高能電子急劇增加和等離子體離子加速的聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象Fig.11 Bursts of energetic electrons and the acceleration of the ambient plasma ions synchronously observed by Chang’E-1

圖12 “嫦娥2號(hào)”觀測(cè)的高能電子急劇增加和等離子體離子加速的聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象Fig.12 Bursts of energetic electrons and the acceleration of the ambient plasma ions synchronously observed by Chang’E-2

4 太陽(yáng)風(fēng)“拾起”離子

衛(wèi)星在太陽(yáng)風(fēng)中繞月球運(yùn)動(dòng)時(shí)，SWIDs 多次在向陽(yáng)面太陽(yáng)風(fēng)通量峰值前后觀測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)“拾起”離子，這些離子往往具有很強(qiáng)的各向異性，粒子的質(zhì)量數(shù)表明其成分為質(zhì)子或α粒子，它們主要起源于太陽(yáng)風(fēng)。太陽(yáng)風(fēng)注入月表月壤，其中的H 和He 中性化后進(jìn)入月球大氣，部分氣體發(fā)生光電離被太陽(yáng)風(fēng)捕獲，形成不完全捕獲的環(huán)形分布，如圖13～14 中，太陽(yáng)風(fēng)中心上方形成的2 條暗紫色低通量平行半環(huán)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)太陽(yáng)風(fēng)速度為330 km/s，IMF 為5.9 nT，2條平行結(jié)構(gòu)的能量中心分別為1.7 eV和3.5 eV。

圖13 太陽(yáng)風(fēng)“拾起”離子，2010-10-6 13：50-15：50Fig.13 The “pick up” ions by solar wind in 2010-10-6 13：50-15：50

圖14 太陽(yáng)風(fēng)“拾起”離子的歸一化能譜Fig.14 The normalization spectrum of Solar wind“pick up”ions

根據(jù)觀測(cè)公式

其中：Xp，Yp是離子的觀測(cè)位置，Xp0，Yp0表示離子初始位置；θ表示離子回旋相位；RM表示離子回旋半徑。

離子種類(lèi)可利用方程計(jì)算得到，模擬了中性粒子電離后在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，分析結(jié)果表明：底部平行結(jié)構(gòu)離子可能是H2+或4He2+，上部的平行結(jié)構(gòu)離子應(yīng)該是4He+。

5 月表反射太陽(yáng)風(fēng)離子

衛(wèi)星在太陽(yáng)風(fēng)中繞月球運(yùn)動(dòng)時(shí)，SWIDs 多次在向陽(yáng)面太陽(yáng)風(fēng)通量峰值前后觀測(cè)到月表反射太陽(yáng)風(fēng)離子、反射離子被太陽(yáng)風(fēng)捕獲的現(xiàn)象。圖15 是一次典型的反射離子被太陽(yáng)風(fēng)捕獲事件，反射離子具強(qiáng)的各向異性并呈不完全捕獲的環(huán)狀分布；反射離子能量遠(yuǎn)高于太陽(yáng)風(fēng)離子，其通量可達(dá)太陽(yáng)風(fēng)離子的20%。

圖15 月表反射太陽(yáng)風(fēng)離子Fig.15 The reflected Solar wind ions by lunar surface

6 結(jié) 論

“嫦娥1號(hào)”“嫦娥2號(hào)”搭載的太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器和太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)低年、空間環(huán)境擾動(dòng)水平相對(duì)較低情況下，月表以上200 km 和100 km 的等離子體環(huán)境、高能帶電粒子環(huán)境開(kāi)展了長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，并對(duì)月表和探月衛(wèi)星在高能電子流急劇增加期間的表面充電現(xiàn)象開(kāi)展了數(shù)值模擬，獲得如下結(jié)論：

1）太陽(yáng)活動(dòng)低年，空間環(huán)境擾動(dòng)相對(duì)寧?kù)o，行星際磁場(chǎng)較弱的情況下，月球附近背景高能帶電粒子流量與行星際空間高能帶電粒子流量相近；月表以上100～200 km與上游行星際L1點(diǎn)的太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)具有相同的時(shí)間演化趨勢(shì)，速度偏差＜10%；密度和溫度偏差約為10%～20%。

2）滿足穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)和弱行星際磁場(chǎng)條件且無(wú)顯著空間環(huán)境擾動(dòng)時(shí)，0.1～2 MeV 高能電子流急劇增加現(xiàn)象可能發(fā)生于月球經(jīng)歷的所有空間區(qū)域，其中20%伴隨著等離子體加速現(xiàn)象。兩種現(xiàn)象聯(lián)動(dòng)主要發(fā)生在地球磁鞘內(nèi)側(cè)及邊界層附近區(qū)域。

3）模擬結(jié)果表明，BEE 發(fā)生時(shí)大量電子累積在衛(wèi)星表面，使得衛(wèi)星表面快速充電達(dá)到大的負(fù)電位導(dǎo)致周?chē)入x子體加速，月表局部也可能充電達(dá)到負(fù)的上千伏。因此，地球磁鞘內(nèi)側(cè)和邊界層區(qū)域?qū)⑹窃虑蚝屠@月衛(wèi)星表面充電到負(fù)上千伏事件的高發(fā)區(qū)。

4）月表和太陽(yáng)風(fēng)離子相互作用，太陽(yáng)風(fēng)離子是月球稀薄外大氣層的來(lái)源之一；太陽(yáng)風(fēng)在月表反射可達(dá)20%并被太陽(yáng)風(fēng)不完全捕獲。