高能电子爆发与绕月卫星表面电位大幅下降的联动效应

王馨悦, 张爱兵, 荆涛, H.Reme, 孔令高, 张珅毅， 李春来

1 中国科学院国家空间科学中心， 北京　100190 2 天基空间环境探测北京市重点实验室， 北京　100190 3 法国国家科研中心, 法国 图卢兹　31028 4 中国科学院国家天文台, 北京　100012



高能电子爆发与绕月卫星表面电位大幅下降的联动效应

王馨悦1,2, 张爱兵1,2, 荆涛1,2, H.Reme3, 孔令高1,2, 张珅毅1,2， 李春来4

1 中国科学院国家空间科学中心， 北京100190 2 天基空间环境探测北京市重点实验室， 北京100190 3 法国国家科研中心, 法国 图卢兹31028 4 中国科学院国家天文台, 北京100012

“嫦娥”一号、二号绕月飞行经历地球磁尾边界层区域时，分别在2007年11月26日—2008年2月5日和2010年10月3日—2011年2月28日，发现了15次月球轨道0.1～2 MeV电子急剧增加(Bursts of 0.1～2 MeV Energetic Electrons, BEE)，卫星周围等离子体离子加速的现象.统计研究表明，这类现象发生在稳定太阳风和弱行星际磁场条件下，且无显著空间环境扰动事件发生时，离子的加速滞后于高能电子爆发，离子能量的变化与高能电子通量的时间演化正相关，地球磁鞘内侧或边界层过渡区域是该类现象的高发区，离子能量增加时卫星表面电位大幅下降可达负几千伏.为了研究高能电子爆发与绕月卫星表面电位变化的关系及其对月球表面电位的影响，本文用电流平衡法建立绕月卫星和月球表面充电模型，并假设能量电子(>2 eV～2 MeV)满足幂律谱的分布，模拟急剧增加的能量电子对卫星和月球表面电位的影响.模拟结果表明，能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降；能量电子总流量>1011cm-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负上千伏；月球充电到大的负电位的时间仅为卫星充电时间的1/10.鉴于高能电子急剧增加事件的高发生率(～125次/年)，能量电子急剧增加使得绕月卫星表面电位大幅下降的发生率应大于实测等离子体离子加速现象的发生率(～25次/年).

嫦娥一号; 嫦娥二号；月球；表面充电；高能电子急剧增加事件；等离子体

1　引言

月球没有内禀磁场和稠密的大气层，每月约4天时间，月球穿越地球磁尾，其余时间则位于太阳风中.带电粒子和太阳光辐射直接轰击月球，使得月球表面带电.等离子体、太阳光、二次电子和高能带电粒子的撞击使得绕月卫星表面带电(Stubbs et al., 2007).Lunar Prospector Electron Reflectometer (LP ER)的观测表明(Halekas et al., 2005, 2008)，通常情况下，月球表面向阳侧电位约为+10～+20 V，背阳侧电位为-100 V左右；在地球等离子体片区域，月球背阳侧电位可达负上千伏.Halekas等(2008，2009)利用LP ER实测的电子能谱模拟了太阳质子事件(Solar Energetic Proton Events, SEP)发生后绕月卫星的表面充电电位，结果表明，SEP时高能粒子累积在卫星表面可使绕月卫星表面充电电位大幅下降.

“嫦娥一号”卫星发射入轨后，在月球轨道200 km高度上，首次发现了0.1～2 MeV电子急剧增加(BEE),随后卫星周围等离子体离子加速的现象，这类现象通常发生在稳定太阳风、弱行星际磁场(Interplanetary Magnetic Field, IMF)、空间环境弱扰动条件下,伴随BEE发生的等离子体离子加速现象可能是由于卫星表面电位下降到大的负电位引起的，BEE可能是除了等离子体片和SEP外第三种使得绕月卫星表面充电电位达负上千伏的诱因(Wang et al.，2012；王馨悦等，2012).“嫦娥二号”卫星入轨后，在月球轨道100 km高度上也发现了同类现象.这类现象发生时，0.1～2 MeV电子峰值通量比背景电子至少增长了一个数量级，且持续时间超过1 min.已有观测和研究表明，能量电子急剧增长事件可能出现在太阳风、地球磁尾、磁鞘及边界层过渡区等空间环境区域.太阳风中的高能电子可能来源于弓激波上行粒子或“超级晕状(super-halo)”电子(Lin, 1998).磁尾中的高能电子则可能由磁重联引起(Egedal et al., 2010; Lu et al., 2010; Wang et al., 2010a, 2010b, 2014; Wu et al., 2015).在磁鞘内侧或边界层过渡区域，持续几分钟并具有45°倾角特征的高能电子可能来自于弓激波上行粒子，持续时间较长的高能电子可能起源于磁层或内磁鞘(Anderson et al., 1979; Baker and Stone,1978; Bieber and Stone,1982; Formisano, 1979; Klassen et al., 2009).上述研究指出，急剧增加的能量电子能谱通常符合幂律谱的分布特征.

为了研究“嫦娥”卫星发现的高能电子急剧增加、随后卫星周围等离子体离子加速、绕月卫星表面电位下降到大的负电位现象的机制，本文统计研究了“嫦娥”一号、二号卫星绕月飞行时，在空间环境相对宁静的219天内，观测到的75次0.1～2 MeV电子急剧增加现象与15次等离子体离子加速、卫星表面电位大幅下降现象的特征与相关性；用电流平衡法建立绕月卫星和月球表面充电模型，并将“嫦娥”实测高能电子数据拟合满足幂律谱分布的能量电子能谱与实测等离子体能谱作为输入条件，模拟BEE时绕月卫星和月球表面充电电位的变化，研究高能电子急剧增加与绕月卫星表面充电电位大幅下降之间的关系及其对月球表面充电电位的影响，为深入了解月球带电粒子环境、进一步开展月球科学探测提供参考.

2　“嫦娥”卫星空间环境探测仪

“嫦娥一号”、“二号”是两颗三轴稳定的绕月极轨卫星，飞行高度分别为200 km和100 km,轨道周期分别为127 min和118 min.空间环境探测仪由两台太阳风离子探测器(Solar Wind Ion Detectors，SWIDs)和一台太阳高能粒子探测器(High Energetic Particles Detector，HPD)组成，用于探测月球轨道带电粒子环境(欧阳自远, 2010).“嫦娥一号”和“二号”空间环境探测仪具有相同的技术指标和安装位置.SWIDs用于观测等离子体环境，主要观测对象是太阳风离子.HPD用于监测太阳质子事件，主要观测对象是高能电子、离子.SWIDs和HPD由中国科学院国家空间科学中心(前空间科学与应用研究中心)空间环境探测研究室研制.

SWIDs是一对(SWID-A/B)采用相同设计的探测仪器.探测器采用半球形静电分析器原理，并根据能量-电荷比(E/Q)的关系，使得具有一定能量的正离子入射到微通道板上，激发出电信号.SWIDs各有12个具备相同探测能力的极角，称为极角1～12，每个极角有48个能量通道，标号为1～48(Kong et al.,2011; Wang et al., 2012).SWIDs的技术指标如表1.卫星发射前，SWIDs利用法国IRAP(former CESR of Toulouse in France, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie)的5～800 keV离子源完成了地面定标试验.SWIDs安装在卫星顶角处指向天空，SWID-A和B的视场几乎相互垂直.卫星绕月飞行时，SWID-A和B的探测视场分别垂直和平行于卫星前进方向.

表1　SWIDs的技术指标Table 1　Performance of SWIDs

HPD的传感器由3片半导体硅探测器组成，探测器视场角为60°，粒子进入传感器后，以电离方式损失能量，根据传感器D1、D2和D3输出能量的不同，区分粒子成分与能量(王馨悦等，2012).HPD安装在卫星的顶部，视场方向为朝天向.P1-P6为质子(4～400 MeV)，E1-E2为电子(0.1～2 MeV, ≥2.0 MeV).He(13～105 MeV)表示氦离子，C(117～590 MeV)能道包含的主要离子种类为C、N、O离子，Li(34～210 MeV)能道包含的主要离子种类为Li、B、Be离子.加速器定标试验分别在中国原子能科学研究院核物理所及中国科学院近代物理所完成.放射源试验和模拟信号源试验在中国科学院国家空间科学中心完成.

3　探测结果

“嫦娥一号”和“嫦娥二号”绕月飞行的2007年11月—2008年2月与2010年11月—2011年2月，在无显著空间环境扰动事件发生时，月球轨道附近0.1～2 MeV的高能电子平均流量约40 (cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，≥2 MeV高能质子平均流量约0.2～3.0(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，远低于周围等离子体的流量.

3.10.1～2 MeV高能电子急剧增加(BEE)

我们对峰值流量大于500 (cm-2·sr-1·s-1·MeV-1) 的0.1～2 MeV高能电子急剧增加事件(BEE)开展了统计研究.结果表明，2007年11月26日—2008年2月5日 ，“嫦娥一号”绕月飞行的70天中有15天发现了0.1～2 MeV高能电子急剧增加事件，电子峰值流量最高可达 2.4×104(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1).其中有4天月球位于太阳风，共发现5次持续时间仅数分钟的高能电子通量增加.其他11天月球位于地球磁尾、磁鞘或边界层过渡区域，观测到的电子通量增加事件次数达36次，持续时间从几分钟到近10小时.2010年10月3日—2011年2月28日，“嫦娥二号”卫星绕月飞行的149 天中有17天发现了高能电子通量增加事件，电子峰值流量最高可达0.9×104(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1).其中2天(1次/天)月球位于太阳风，电子通量持续增加时间超过12小时.其余15天月球位于地球磁尾、磁鞘内侧或磁层顶边界层过渡区域，观测到的电子通量增加事件次数约32次，持续时间从几分钟到近1天.综上所述，BEE的年发生率为125次/年；月球每次穿越磁层时，都会在磁鞘内侧或磁层顶边界层过渡区域附近发现高能电子通量增加事件，约占全部BEE事件的70%，图1是不同空间区域BEE事件的年发生率.我们统计了BEE期间卫星在月心坐标的位置，发现约70%的BEE事件发生在月球向阳侧.SWIDs对等离子体离子的观测显示了当地等离子体区域的变化，当卫星从太阳风穿越到磁尾时，可以观测到离子的密度和速度下降、温度上升的现象.图3c和图4c是两次典型的BEE事件.

图1　太阳风、磁鞘内侧与磁层顶边界层过渡区域和磁尾区域高能电子急剧增长事件的年发生率Fig.1　Annual occurrence ratios of BEE in solar wind, inner terrestrial magnetosheath or the transition region of the boundaries and geomagnetotail

3.2离子加速与卫星表面充电电位大幅下降

卫星绕月飞行时发现的0.1～2 MeV电子通量急剧增加后，卫星周围等离子体离子加速、整体能量显著抬升的现象通常发生在日侧、月球穿越磁尾、经历磁鞘内侧区域附近；它们发生的时段则处于太阳活动水平较低的2007年11月到2011年2月之间，稳定太阳风和弱行星际磁场(<10 nT)条件下，且空间环境较为宁静，无地磁暴发生.SWIDs与HPD的探测视场如图2.BEE发生后，大量电子累积在卫星表面，可使卫星表面带负电；根据图2中探测器视场的几何关系，进入SWIDs视场的离子运动方向指向卫星，当卫星表面电位下降到大的负电位时，如图7所示，向卫星运动的离子将被星表电场加速，离子能量整体抬升,离子能量的增加正比于卫星电位变化,由于通常光照区域卫星表面带电仅为正几伏(Halekas et al., 2005, 2008, 2009), 当大的充负电事件发生时,卫星表面充电电位可估算为U≈-|ΔE/q|(对H+,q=1e)，其中ΔE为卫星周围等离子体离子能量的增量(eV)，U是卫星表面电位的增量(V).我们研究了引言提到的75次BEE事件，“嫦娥”一号、二号分别发现8次和7次卫星周围等离子体离子的显著加速现象，占总BEE事件的约20%，该现象的年发生率约为25次/年，等离子体离子能量的增加通常比高能电子通量增加滞后几分钟，离子能量的变化趋势与高能电子通量的急剧增加正相关.

图2　高能电子急剧增加和等离子体离子加速联动现象发生、绕月卫星位于月球向阳面时， SWIDs和HPD的探测视场示意图Fig.2　Schematic diagram showing observed geometry of SWIDs and HPD during the BEE events and satellite charging in selenocentric solar ecliptic (SSE) coordinate system

上述15次等离子体离子加速事件都发生在磁鞘内侧或磁层顶边界层附近，离子速度方向指向SWIDs视场时，且电子通量增加的持续时间超过了10 min.在未发现显著等离子体离子加速的BEE事件中，约5%的BEE发生时SWIDs没有数据下传；由于太阳风、磁鞘附近离子分布具有很强的方向性，约20%的BEE发生时，离子运动方向恰好位于SWIDs视场外；约18%的BEE中，卫星经历了离子密度低于SWIDs计数下限(103(cm-2·sr-1·s-1·keV-1))的磁尾区域；约9%的BEE中,高能电子急剧增加在离子进入SWIDs视场前发生, 无法判断是否存在等离子体离子加速的过程；另外约28%的BEE中，高能电子通量增加的持续时间很短，仅几分钟电子通量即下降到背景值.

图3—4是“嫦娥一号”于2007年12月22日、“嫦娥二号”于2010年10月20日在月球向阳侧观测到的两次典型0.1～2.0 MeV 高能电子急剧增加与等离子体离子加速联动现象.F1，F2分别对应了“嫦娥”一号、二号观测的高能电子通量达到峰值的时间点.F1时刻月球坐标(-50RE, 25RE, 4.7RE)GSE，太阳入射角(太阳光和HPD探测视场中轴线夹角)约45°； F2时刻月球坐标(-44RE, 39RE, -2.8RE)GSE，太阳入射角约50°.SWIDs对卫星周围等离子体的观测表明F1，F2时刻卫星位于磁鞘内侧磁层顶边界层附近，月球从太阳风向磁尾运动的过程中.F1前后，行星际磁场IMF |B|为2.5～5 nT，太阳风速度570～660 km·s-1,温度7.4×104～1.9×105K.F2前后，行星际磁场IMF |B|为 5.5～6.2 nT，太阳风速度425～433 km·s-1，温度 4.1×104～1.4×105K.SWIDs和ACE卫星的观测结果表明，两次事件均具有相对稳定的太阳风条件和弱的IMF(|B|<10 nT)，无明显空间环境扰动.

图3　“嫦娥一号”观测的高能电子急剧增加和等离子体离子加速的联动现象(a) SWID-A观测的离子能谱；(b) SWID-B观测的离子能谱；(c) HPD观测的0.1～2 MeV高能电子急剧增加现象，其中F1是电子通量峰值，T1对应了加速前的离子能量，T2对应了加速后的离子能量.Fig.3　Bursts of energetic electrons and the acceleration of the ambient plasma ions synchronously observed by Chang′E-1(a) Energy-time spectrogram of ions measured by SWID-A; (b) Energy-time spectrogram of ions measured by SWID-B; (c) 0.1～2 MeV electrons bursting observed by HPD. F1 is the peak flux of the bursting electrons. T1 is the ions energy before charging. T2 is the peak energy of accelerated ions after electron bursting of F1.

图4　“嫦娥二号”观测的高能电子急剧增加和等离子体离子加速的联动现象(a) SWID-A观测的离子能谱； (b) SWID-B观测的离子能谱； (c) HPD观测的0.1～2 MeV高能电子急剧增加现象，其中F2是电子通量峰值，T3对应了加速前的离子能量，T4对应了加速后的离子能量.Fig.4　Bursts of energetic electrons and the acceleration of the ambient plasma ions synchronously observed by Chang′E-2(a) Energy-time spectrogram of ions measured by SWID-A; (b) Energy-time spectrogram of ions measured by SWID-B; (c) 0.1～2 MeV electrons bursting observed by HPD. F2 is the peak flux of the bursting electrons. T3 is the ions energy before charging. T4 is the peak energy of accelerated ions after electron bursting of F1.

图3中，F1时刻 (UT 05∶09) 电子通量达约103(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，10 min后，离子能量上升到最大值，电子通量高于背景值的持续时间约27 min.图4中，F2时刻(UT 14∶38) 电子通量达约103(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1),7 min后，离子能量上升到最大值，电子通量高于背景值的持续时间约29 min.图3—4中，T1，T3是等离子体离子加速前离子能量最大值的分布范围，T2和T4是离子加速后离子能量最大值的分布范围，白色圆点表示最大能量平均值，结果表明，T2时刻卫星表面电位最大降幅为-5.4 kV，T4时刻卫星表面电位最大降幅为-2 kV.图5是等离子加速事件发生前和发生期间的离子能谱，结果表明，卫星表面的电位增加提高了卫星周围等离子体离子的能量.

月球穿越磁尾，将遭遇磁鞘、磁层顶边界层、磁尾瓣区域，磁尾瓣区域离子流量远低于太阳风离子流量，使得观测计数率低于SWIDs观测下限，各区域的典型离子能谱分布的观测特征如图6.与太阳风相比，磁鞘离子温度显著上升，能谱分布观测特征则与太阳风相似，各向异性特征显著；磁层顶边界层过渡区域附近离子的观测特征与太阳风、磁鞘区域离子存在较大差异，它的密度显著下降，能谱分布各向同性特征较强.根据SWIDs实测等离子体分布特征随时间的变化，图3—4中两次离子加速事件前后，月球均处于穿越磁鞘向磁尾方向的运动过程中；F1与F2对应时刻太阳入射角45°～50°，偏离太阳风入射方向；加速事件前后离子能谱分布具较强的各向同性特征，上述结果表明，离子加速期间卫星始终处于磁层顶边界层过渡区域附近.

图5　等离子加速事件发生前(2007-12-22 03∶06，2010-10-20 14∶02)和等离子加速事件发生期间(2007-12-22 05∶12，2010-10-20 14∶46)的离子能谱分布Fig.5　Ions distribution of preceding orbit (2007-12-22 03∶06，2010-10-20 14∶02) and in charging events (2007-12-22 05∶12，2010-10-20 14∶46) when the spacecraft passed through identical location. The ions spectrums of two samples show same characteristics.

4　绕月卫星表面充电建模与分析

4.1建模方法

在月球向阳面，空间环境相对较为平静、BEE发生时，绕月卫星表面收集的电流，主要包括环境等离子体电子和离子电流、光照作用下产生的光电子电流、BEE注入的高能电子电流、离子和电子撞击表面产生的二次电子电流等等效电流,如图7是卫星表面电流成分示意图,在等离子体环境中,表面电位将在卫星周围产生等离子体鞘,影响周围等离子体分布,进而影响环境产生的入射电流.卫星表面的总电流代数和为零，即达到了电流平衡的状态，可以表示为ΣJk=0，其中，Jk表示卫星表面收集的电流，包含光电流Jv、离子电流JI、电子电流JE、高能电子电流JEI和二次电子电流JSEC，每一项都是卫星表面电位U的函数.根据电流平衡方程建立绕月卫星表面充电模型，模式的计算流程为假定卫星表面电势为U，通过改变U值，计算表面净电流，净电流约0时的U就是表面平衡电位.

图6　2010-10-16—2010-10-21月球穿越太阳风、遭遇磁鞘、磁层顶边界层过渡区域，进入磁尾过程中，“嫦娥二号”SWID-B观测的离子能谱(a) 太阳风； (b) 磁鞘； (c) 磁层顶边界层过渡区域.Fig.6　Ion spectrum observed by SWID-B of Chang′E-2 with the Lunar crossing from the solar wind, the magnetosheath and the transition region of the boundaries to the magnetotail(a) Solar wind; (b) Magnetosheath; (c) Transition region of the boundaries.

图7　卫星表面电流成分示意图Fig.7　Sketch of surface charging of spacecraft

磁鞘内侧、边界层附近等离子体的德拜半径约几十米到几百米，大于绕月卫星的特征尺寸(1 m)，与卫星表面相互作用的等离子体可以近似为厚鞘层.对于厚鞘限制，表面收集的电子电流JE、离子电流JI与表面电压关系如下(Whipple，1981；师立勤，2011):

(1)

JI=JI0(1-eU/E)，

(2)

e是单位电荷电量，E是带电粒子能量，JE0和JI0分别是能量为E的入射电子和入射离子的自由电流密度.月球特征尺寸远大于德拜半径，建模时考虑薄鞘限制.对于薄鞘限制，表面收集的电子电流JE、离子电流JI与表面电压关系如下(Whipple，1981；师立勤，2011):

(3)

JE=JE0, U≥0,

(4)

JI=JI0, U≤0,

(5)

JI=JI0(1-eU/E), U>0

(6)

将绕月卫星看作是一个直径1 m的球，表面覆盖材料是铝，则光照产生的光电子电流约50 μA·m-2.对于月球，光照产生的光电子电流约5 μA·m-2(Halekas et al., 2008, 2009).入射电子产生的二次电子电流为JSECE=YSEJE；入射质子产生的二次电子电流表达为JSECI=YSIJI，YSI和YSE分别是入射质子和电子的二次电子产生率(Whipple，1981；师立勤，2011).

(7)

YSE=2.228δm(QE-1+e-QE)(Em/E)0.35/QE.

(8)

(7)式中QI=1/E-0.1， Y1为能量1 keV入射质子的产生率，Em是产生最大入射率的入射质子能量；(8)式中，δm是入射电子产生的最大二次电子的产生率，QE=2.28(Em/E)1.35，Em是产生最大入射率的入射电子能量.卫星或月球周围等离子体的电流密度来自于SWIDs的实测结果.已有研究认为太阳风或磁层中偶发的高能电子流通常符合幂律谱(J=AEγ，其中E表示能量，J表示电子通量，A和γ是方程的系数)的分布(Wu et al., 2011)，本文假设BEE时高能电子满足幂律谱分布，用HPD的观测结果，反演获得BEE时，>2 eV～2 MeV高能电子的时间积分谱.

表面充电的总时间可以累加每一步的充电时间估算得到，即Δt=CAΔV/Jmean，其中，CA是单位面积上的电容，Jmean是每一步的平均电流，ΔV是每一步的电压变化值.卫星采用直径1 m球形电容的假设，月球看作一个无限大的平面，采用平板电容的假设.

4.2模拟与分析

卫星经过月球向阳面时，SWIDs和HPD指向天空，它们的探测平面均位于卫星向阳侧，模拟表明，通常在图2情况下，电流平衡时，月球向阳侧光照区表面充电电位约+10 V，嫦娥卫星的光照面表面充电电位约+14.5 V，与风云卫星和LP ER的观测结果基本一致(Halekas et al., 2008, 2009; Wang et al., 2012).

模拟高能电子通量急剧增加与绕月卫星、月球表面电位变化之间的关系时，为了简化计算过程，定量地给出高能电子急剧增加后卫星和月球表面电位的变化，我们忽略了高能电子随时间演化的复杂过程，仅反演了>2 eV～2 MeV高能电子的时间积分谱(从高能电子通量增加开始到等离子体能量增加达到峰值为止)作为输入参数，并假设充负电过程的发生从高能电子注入结束、卫星或月球表面累积大量负电荷后开始.模拟选择卫星位于月球向阳侧和月球光照区，初始表面电位均设置为+15 V.

模拟表明，太阳风速度约400 km·s-1，密度约1 cm-3,温度约1×105K条件下，0.1～2 MeV电子通量急剧增加期间，>2 eV～2 MeV高能电子总流量的时间积分>1011cm-2时，绕月卫星和月球表面电位可能达-1 kV.对F1, 电子通量急剧增加期间0.1～2 MeV电子平均流量约180(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，充电时间约13 min，2 MeV电子平均流量保持在0.2(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，高能电子总流量约2×1014cm-2，卫星表面充电电位最高-5500 V，月球表面充电电位最高-5788 V，绕月卫星表面电流平衡时间约0.002 s，月球表面电流平衡时间约0.0002 s.对F2, 电子通量急剧增加期间0.1～2 MeV电子平均流量约550(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，充电时间约14 min，2 MeV电子平均流量保持在约1.5(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，高能电子总流量约3.0×1011cm-2，卫星表面充电电位最高约-1995 V，月球表面充电电位最高-1960 V，绕月卫星表面电流平衡时间约0.009 s，月球表面电流平衡时间约0.0006 s.绕月卫星表面充电电位的模拟计算结果与图3—4的实测结果基本一致.图8—9模拟了“嫦娥一号”2007年12月22日F1时刻0.1～2 MeV电子急剧增加通量达峰值后，高能电子总积分流量达2.0×1014cm-2时，绕月卫星和月球表面电流平衡状态下的表面充电电位和充电时间，图8—9中，表面收集电流约0 μA时，卫星和月球表面处于电流平衡状态，此时的表面电势即为最大表面充电电位.上述结果表明，空间环境相对宁静时期，月球轨道高能电子急剧增加是绕月卫星表面充电电位大幅下降，导致环境等离子体离子加速的主要诱因；月球表面在高能电子急剧增加时期也可能充电到大的负电位；同一条件下，月球表面充电电位达平衡时间仅为卫星表面充电电位平衡时间的1/10左右，这是由于卫星采用了厚鞘层限制以及球形电容、组成材料为铝的假设，月球采用了薄鞘层限制以及平板电容、组成材料为SiO2的假设，卫星的单位电容比月球大约10倍，使得月球表面充电时间远远小于卫星充电时间.

图8　卫星表面充电模拟Fig.8　Simulation of satellite surface charging

图9　月球表面充电模拟Fig.9　Simulation of Lunar surface charging

5　结论

本文利用“嫦娥”一号、二号卫星对月球附近等离子体和高能电子的观测结果，统计研究了0.1～2 MeV电子急剧增加时，卫星周围等离子体离子加速，绕月卫星表面充电电位大幅下降达负上千伏的现象.采用电流平衡法，建立月球向阳侧光照区表面、卫星处于该区域时光照面的表面充电模型，结合“嫦娥”一号、二号对月球附近带电粒子环境的实测结果，模拟了空间环境相对宁静时，月球轨道高能电子急剧增加对绕月卫星和月球表面电位的影响，结论如下：

(1) 0.1～2 MeV电子急剧增加时，卫星周围等离子体离子加速、卫星表面电位从正几伏快速下降到负上千伏的现象通常发生在稳定太阳风和弱行星际磁场条件下，且无显著空间环境扰动发生时，地球磁鞘内侧及边界层附近区域是该类现象的高发区.离子加速滞后于高能电子增加，离子能量的变化与高能电子通量的时间演化正相关，加速前后离子能谱分布不变.

(2) 月球轨道高能电子急剧增加是绕月卫星表面电位大幅下降、加速周围等离子体离子的主要诱因.

(3) 鉴于高能电子急剧增加事件的高发生率(约125次/年)与等离子体观测的局限性，能量电子急剧增加使得卫星表面电位大幅下降的发生率应大于实测的等离子体离子加速现象的发生率(25次/年).

(4) 与绕月卫星表面充电现象类似，月球附近高能电子的急剧增加可使月球向阳侧表面电位大幅下降.

(5)高能电子总流量的时间积分>1011cm-2时，绕月卫星和月球表面充电电位可达-1 kV.

(6) 同样条件下，相比绕月卫星，月球表面充电电位达平衡时间更短，是绕月卫星表面充电电位达平衡时间的约1/10.

高能电子急剧增加事件总是发生在稳定太阳风和弱行星际磁场条件下，且与地磁暴、地磁亚暴没有显著相关性；月球每次经历磁鞘内侧、磁层顶边界层附近区域时，都能够观测到高能电子急剧增加事件的发生；磁层顶边界层的厚度超过1000 km，月球的运动速度约1 km·s-1，则月球穿越磁层顶边界层的时间可能超过100 min；此外，磁层顶边界层的磁场强度比等离子体片大.上述事实表明，可能存在着月球和磁层顶边界层相互作用的特殊加速区域，使得磁能转化为粒子动能，加速了来源于太阳风或磁层内部的电子，引起了地球磁鞘内侧和边界层区域高能电子的急剧增加.

地球磁鞘内侧和边界层区域是月球和绕月卫星表面充电到负上千伏事件的高发区，对探月活动可能产生灾害性影响(Bedingfield et al., 1996; Koons et al., 1999).月球表面电位大幅下降，可造成当地尘埃等离子体环境剧烈扰动，加剧月表环境中的静电尘埃污染(Stubbs et al., 2006, 2007).当高能电子急剧增加在月球背阳面发生时，由于没有光电流，月表可能达到更高的负电位.

致谢感谢SWIDs 和 HPD工作团队设计生产了空间环境探测仪.感谢探月工程地面应用系统提供了“嫦娥”卫星科学数据.感谢ACE 工作团队和NASA的 CDAWEB提供的空间环境数据.

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附中文参考文献

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(本文编辑何燕)

Synchronization of energetic electron bursting and lunar orbiter surface charging to negative kilovolts

WANG Xin-Yue1,2, ZHANG Ai-Bing1,2, JING Tao1,2, H. Reme3, KONG Ling-Gao1,2, ZHANG Shen-Yi1,2, LI Chun-Lai4

1NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2BeijingKeyLaboratoryofSpaceEnvironmentExploration,Beijing100190,China3CentreNationaldelaRecherchéScientifique,Toulouse31028,France4NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100012,China

Fifteen times of ambient plasma ions accelerated on lunar orbit during the bursts of 0.1～2 MeV energetic electrons (BEE) was observed when spacecraft Chang′E-1 and Chang′E-2 flight through the terrestrial magnetosheath or the transition region of the boundaries during 26 November 2007 to 5 February 2008 and 3 October 2010 to 28 February 2011. The 0.1～2 MeV BEE events were observed by High Energetic Particles Detector (HPD) on board Chang′E-1 in a 200 km lunar polar orbit and Chang′E-2 in a 100 km lunar polar orbit. And the ions energy increasing was observed by Solar Wind Ion Detector (SWID) on board Chang′E-1 and 2. These events were found under relatively steady solar wind conditions and weakly IMF values without strong environmental disturbances. The ions acceleration occurred after the energetic electrons bursting, and the accelerated ions energy was correlated positively with the fluxes of the energetic electrons with the spacecraft surface charging to negative kilovolts. We use the current balance equations to simulate the spacecraft and the lunar surface charging during the bursting of the energetic electrons. The observed data of the two lunar orbiters is used to derive the energetic electrons spectrum (>2 eV～2 MeV) with power-low distribution assumption during BEEs. The simulation results indicate that the energetic electron incident of BEE is the dominating cause of the spacecraft surface charging to negative kilovolts. The results also indicate that the lunar and the spacecraft surface will charge to negative kilovolts during the BEEs after the temporal integral of the energetic electrons fluxes reach up to >1011cm-2. The balance time for the spacecraft surface charging is about 10 times that the lunar surface charging. It is expected that the occurrence of the synchronization of energetic electrons bursting and surface charging to large negative voltage should be more frequent than the Chang′E-1 and 2 observations though the observed ions acceleration (25 times per year) are fewer than the BEEs (125 times per year).

Chang′E-1; Chang′E-2; Lunar; Surface charging; Bursts of energetic electrons; Plasma

10.6038/cjg20161001.

国家自然科学基金(41204128)，中国科学院战略性先导科技专项(XDA04077100)资助.

王馨悦，女，1977年生，博士，主要从事空间环境探测数据分析与探测器物理设计工作.E-mail: Orchard@nssc.ac.cn

10.6038/cjg20161001

P353，P354

2015-11-02，2016-09-05收修定稿

王馨悦, 张爱兵, 荆涛等. 2016. 高能电子爆发与绕月卫星表面电位大幅下降的联动效应. 地球物理学报，59(10):3533-3542,

Wang X Y, Zhang A B, Jing T,et al. 2016. Synchronization of energetic electron bursting and lunar orbiter surface charging to negative kilovolts.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3533-3542,doi:10.6038/cjg20161001.