近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

王馨悦，张爱兵，荆 涛，孔令高，张珅毅

（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.中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室，北京 100190）

引 言

20世纪六七十年代，人类已经在Apollo 和Ex‐plorer 等探月过程中开展过月球空间环境探测，并形成了对月球带电粒子环境基本特征的初步认识[1-2]。当新一轮探月高潮再次兴起时，月球空间带电粒子及其与月球表面相互作用过程再次引起了人们的关注。2007—2009年，国际社会连续发射了“月女神”探测器 （SELenological and ENgineering Explorer，SELENE）卫星、Chandrayaan-1 卫星、LRO（Lunar Reconnaissance Orbiter）卫星，对近月空间带电粒子进行观测。我国于2007 和2010年分别成功发射了“嫦娥1号”和“嫦娥2号”卫星，并对月球附近的带电粒子环境开展了探测[3-8]。

“嫦娥1号”“嫦娥2号”卫星是2 颗三轴稳定的绕月极轨卫星，分别于2007年10月24日和2010年10月1日发射，飞行高度为200 km 和100 km，轨道周期为127 min和118 min。卫星上安装的空间环境探测仪由一台太阳高能粒子探测器（High-energetic Par‐ticles Detector，HPD）和两台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors，SWID），分别为SWIDA/SWIDB 组成。空间环境探测仪的科学目标是探测月球的空间环境，研究月球空间的高能粒子和太阳风离子的成分、通量、能谱及其时空演化特征，以及太阳活动对月球空间环境的影响[3-8]。

月-地距离约为60Re，在超过80%的时间内，月球处于太阳风中，其它时间则位于地球磁尾，由于没有内禀磁场和稠密大气层的保护，等离子体、宇宙线和太阳光辐射直接轰击月球，与月表相互作用，呈现出月表充电[9]、太阳风离子在月表反射或溅射月球物质等现象[8]。“嫦娥1号”“嫦娥2号”空间环境探测仪除了观测到太阳活动低年月球附近的带电粒子环境基本特征外，还发现了月球附近频发的能量电子急剧增加引起月球卫星表面充电电位可达负上千伏的现象、太阳风离子在月表的反射现象以及月球稀薄大气层H和He的太阳风起源的证据等。

1 “嫦娥”卫星空间环境探测仪

1.1 太阳高能粒子探测器

太阳高能粒子探测器由中国科学院国家空间科学中心空间环境探测研究室研制，其科学目标是探测月球轨道空间的高能质子、电子和重离子能谱随时间的演化特征。HPD 的观测对象是4～400 MeV 的质子、＞100 keV、＞2 MeV 的电子以及 13～105 MeV 的 He、34～210 MeV 的 Li、B、Be 和 117～590 MeV 的 C、N、O离子，探测指标的设计主要是针对可能诱发卫星单粒子效应和卫星充电效应，威胁卫星安全的高能粒子种类和能谱。

HPD 的传感器由3 片半导体硅探测器组成，探测器视场角60o，带电粒子在传感器中以电离方式损失能量，根据3 片半导体硅探测器输出能量的不同，可区分粒子成分和能量。HPD 安装在卫星顶部，视场方向为朝天向。图1～2 是HPD 探测器的照片和原理图。HPD 的加速器定标试验在中国原子能科学研究院核物理所与中国科学院近代物理所完成。表1是HPD 的技术指标，观测能道包括6 道质子（P1～P6）、2 道电子（E1～E2）和3 道重离子（He、Li、C）。

图1 太阳高能粒子探测器实物图Fig.1 The photograph of the HPD instrument

图2 太阳高能粒子探测器原理图Fig.2 Basic principle diagram of HPD

表1 HPD技术指标Table 1 Performances of HPD

1.2 太阳风离子探测器

“嫦娥1号”“嫦娥2号”安装的太阳风离子探测器SWIDA/SWIDB 由中国科学院国家空间科学中心空间环境探测研究室研制，它的科学探测目标是探测月球附近等离子体与月球的相互作用，获得月球附近太阳风的基本特征，如速度、密度和温度等。SWIDs 的观测对象是月球空间0.04～20 keV 的离子，其的科学探测结果主要用于研究月球附近等离子体环境的特征和月表与太阳风等离子体环境的相互作用。

SWIDs 采用半球形静电分析器，根据能量-电荷比E/Q的关系，具一定能量的正离子入射到微通道板（Micro-Channel Plate，MCP）上，可激发出相应的电信号。图3～4是SWIDs 探测器的照片和原理图。SWIDs 有12 个探测入口，称为极角P1～P12，P1～P12 各有48 个能量通道，称为能道C1～C48。图5是 HPD 和 SWIDs 的视场。表2是 SWIDs 的技术指标。在太阳风离子探测器开机、卫星保持正飞姿态时，SWIDA 的探测视场近垂直于飞行方向，SWIDB 的视场近平行于飞行方向，如图5所示。

图3 太阳风离子探测器原理图Fig.3 Basic principle diagram of SWIDs

图4 太阳风离子探测器Fig.4 Solar wind ions detector

图5 SWIDs和HPD的视场示意图Fig.5 The FOV of HPD and SWIDs

表2 SWIDs技术指标Table2 Performances of SWIDs

2 太阳活动低年近月空间背景带电粒子环境

2.1 近月空间高能粒子环境

表2比较了太阳活动低年，空间环境相对宁静时期，月球轨道100～200 km高度空间区域与ACE卫星所在的行星际日-地（月）系统拉格朗日L1点附近的高能质子、重离子He、C、N、O 的背景流量。结果表明，月球在太阳风中时，背景高能带电粒子流量与行星际相当，月球的局部磁异常、稀薄大气对月面以上100～200 km 的高能带电粒子影响很小。表3为月球附近和L1点高能带电粒子含量。

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

2.2 近月空间太阳风等离子体

月球距离地心大约60Re，近似认为它在黄道面运动。图6是太阳活动低年，行星际磁场（Interplane‐tary Magnetic Fields，IMF）较弱的条件下（IMF磁场|B|的变化范围0.2～18 nT，其中98% 的时间内，|B| ≤ 10 nT），月球位于地球弓激波上游太阳风中时，CE-1/SWIDA 与位于L1 点ACE/SWEPAM（Ad‐vanced Composition Explorer/Solar Wind Electron Pro‐ton Alpha Monitor）观测的上游行星际太阳风推演到月球附近时的速度、密度和温度的比较。结果表明，太阳活动低年，IMF较弱时，月表以上100～200 km与行星际L1点的太阳风参数具有相同的时间演化趋势，两者的速度偏差＜10%；密度和温度偏差介于10%～20%。

图6 太阳风离子探测器SWIDA观测的太阳风密度、温度和速度与ACE/SWEPAM观测结果的比较Fig.6 The average solar wind speed，temperature and density near the lunar by SWIDs and by ACE/SWEPAM in planetary

图7～8 是CE-2/SWIDB 观测的背景太阳风能谱图。在弱湍动的太阳风中，大部分观测到的太阳风具质子H+单峰结构，如图7所示，或质子和4He2+双峰结构，如图8所示，其中，4He2+与H+含量比与行星际太阳风相当，约为3%。

图7 在2010-11-24 20：00-21：00，观察到的背景太阳风质子单峰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+

图8 在2010-10-8 19：00-20：00，观察到的背景太阳风的质子和4He2+双峰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 高能电子流爆发与等离子体加速联动事件

3.1 0.1～2MeV高能电子流急剧增加现象

“嫦娥1号”“嫦娥2号”卫星发射入轨后，多次在月表以上100 ～200 km 发现0.1～2 MeV 电子急剧增加现象（Bursts of 0.1～2 MeV Energetic Electrons，BEE），这些现象多发生在稳定太阳风、弱行星际磁场与空间环境弱扰动条件下。BEE 发生时，0.1～2 MeV电子峰值通量比背景电子通量至少增加一个数量级、持续时间超过1 min，这类现象可以发生在太阳风、地球磁尾、磁鞘及边界层过渡区等月球经历的所有空间环境区域中。

图9中用虚线标示了月球在地心太阳-黄道坐标系（Geocentric Solar Ecliptic system，GSE）的轨迹及其经历的不同空间区域。图10 统计了各空间区域BEE 事件的年发生率。结果表明：BEE 发生率约为125次/年；月球穿越磁层、磁鞘内侧或磁层顶边界层过渡区域时，观测的高能电子流量增加约占全部BEE事件的70%；70%的BEE 发生位置位于月球向阳侧。在持续时间只有几分钟的脉冲式BEE 事件中，电子背向太阳运动（白天），流量峰值电子的运动方向与星-日连线的夹角约为40°～45°；电子向阳运动（夜晚），该夹角约为100°～110°。在长达十几分钟或小时量级的BEE 事件中，流量峰值电子的运动方向几乎涵盖了所有观测角度。

图9 月球在GSE坐标中，给出了太阳风、磁层顶和弓激波边界层大致的位置Fig.9 Lunar position in GSEX-Y，the Solar wind，magnetopause and bow shock are indicated

图10 各空间区域高能电子急剧增长事件的年发生率Fig.10 The occurrence in one year for BEE in variable area

3.2 等离子体加速与卫星表面充电

“嫦娥1号”“嫦娥2号”首次在月表以上100～200 km 发现了多起0.1～2 MeV 电子急剧增加后卫星周围等离子体离子加速的现象。统计分析表明：等离子体加速现象约占全部BEE 的20%，且均发生在磁鞘内侧或磁层顶边界层附近的月球向阳侧，离子中心运动方向指向SWIDs 视场，电子通量增加的持续时间超过了10 min。在其他80%未观测到等离子体加速的BEE 事件中，卫星周围环境等离子体中心运动方向处于SWIDs 视场外，或等离子体数据观测中断、或磁尾区域离子浓度低于计数下限，使得SIWDs 无法观测到环境等离子体的变化；还有一种情况是高能电子急剧增加的时间仅持续了几分钟。图11～12是2 次典型的等离子体加速事件，F1、F2 分别对应了“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测的高能电子流量达到峰值的时间点，该时刻两卫星均位于月球从太阳风向磁尾运动、磁鞘内侧磁层顶边界层附近。图12中的等离子体加速是由于BEE 发生后，大量电子累积在卫星表面，使得卫星表面快速充电达到大的负电位导致的。根据等离子加速事件发生前和发生期间的离子能谱，卫星表面电位最大降幅分别为-5.4 kV 和-2 kV。

采用电流平衡法开展数值模拟研究的结果表明：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；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。

图11 “嫦娥1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Fig.11 Bursts of energetic electrons and the acceleration of the ambient plasma ions synchronously observed by Chang’E-1

图12 “嫦娥2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Fig.12 Bursts of energetic electrons and the acceleration of the ambient plasma ions synchronously observed by Chang’E-2

4 太阳风“拾起”离子

卫星在太阳风中绕月球运动时，SWIDs 多次在向阳面太阳风通量峰值前后观测到太阳风“拾起”离子，这些离子往往具有很强的各向异性，粒子的质量数表明其成分为质子或α粒子，它们主要起源于太阳风。太阳风注入月表月壤，其中的H 和He 中性化后进入月球大气，部分气体发生光电离被太阳风捕获，形成不完全捕获的环形分布，如图13～14 中，太阳风中心上方形成的2 条暗紫色低通量平行半环状结构，此时太阳风速度为330 km/s，IMF 为5.9 nT，2条平行结构的能量中心分别为1.7 eV和3.5 eV。

图13 太阳风“拾起”离子，2010-10-6 13：50-15：50Fig.13 The “pick up” ions by solar wind in 2010-10-6 13：50-15：50

图14 太阳风“拾起”离子的归一化能谱Fig.14 The normalization spectrum of Solar wind“pick up”ions

根据观测公式

其中：Xp，Yp是离子的观测位置，Xp0，Yp0表示离子初始位置；θ表示离子回旋相位；RM表示离子回旋半径。

离子种类可利用方程计算得到，模拟了中性粒子电离后在电磁场中的运动，分析结果表明：底部平行结构离子可能是H2+或4He2+，上部的平行结构离子应该是4He+。

5 月表反射太阳风离子

卫星在太阳风中绕月球运动时，SWIDs 多次在向阳面太阳风通量峰值前后观测到月表反射太阳风离子、反射离子被太阳风捕获的现象。图15 是一次典型的反射离子被太阳风捕获事件，反射离子具强的各向异性并呈不完全捕获的环状分布；反射离子能量远高于太阳风离子，其通量可达太阳风离子的20%。

图15 月表反射太阳风离子Fig.15 The reflected Solar wind ions by lunar surface

6 结 论

“嫦娥1号”“嫦娥2号”搭载的太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器对太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低情况下，月表以上200 km 和100 km 的等离子体环境、高能带电粒子环境开展了长时间观测，并对月表和探月卫星在高能电子流急剧增加期间的表面充电现象开展了数值模拟，获得如下结论：

1）太阳活动低年，空间环境扰动相对宁静，行星际磁场较弱的情况下，月球附近背景高能带电粒子流量与行星际空间高能带电粒子流量相近；月表以上100～200 km与上游行星际L1点的太阳风参数具有相同的时间演化趋势，速度偏差＜10%；密度和温度偏差约为10%～20%。

2）满足稳定太阳风和弱行星际磁场条件且无显著空间环境扰动时，0.1～2 MeV 高能电子流急剧增加现象可能发生于月球经历的所有空间区域，其中20%伴随着等离子体加速现象。两种现象联动主要发生在地球磁鞘内侧及边界层附近区域。

3）模拟结果表明，BEE 发生时大量电子累积在卫星表面，使得卫星表面快速充电达到大的负电位导致周围等离子体加速，月表局部也可能充电达到负的上千伏。因此，地球磁鞘内侧和边界层区域将是月球和绕月卫星表面充电到负上千伏事件的高发区。

4）月表和太阳风离子相互作用，太阳风离子是月球稀薄外大气层的来源之一；太阳风在月表反射可达20%并被太阳风不完全捕获。