中國科學(xué)院官方賬號~5小時前
日球?qū)又械母黝愄祗w都浸漬在太陽噴射出的太陽風(fēng)中。這些超聲速的太陽風(fēng)連續(xù)不斷地刻畫這些天體表面的自然環(huán)境，驅(qū)動自然環(huán)境的長期演化。比如，太陽風(fēng)可使天體表面空間風(fēng)化，改變天體的光學(xué)性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)；太陽風(fēng)也可以轟擊星體的電離大氣，加劇星體的大氣逃逸過程。然而，當(dāng)天體上存在磁場時，太陽風(fēng)的作用可以被改變。
磁場可以阻礙帶電粒子的長驅(qū)直入，磁場往往可以將入射太陽風(fēng)屏蔽在天體表面之外，因此磁化天體的太陽風(fēng)空間風(fēng)化效應(yīng)通常都會被減弱甚至消失。另外，星體磁場在太陽風(fēng)的轟擊下，通?？梢栽谛求w周邊形成磁場結(jié)構(gòu)。這些磁場結(jié)構(gòu)，既可能降低電離大氣的逃逸效率，從而保護星體大氣，也可能加劇大氣逃逸，這取決于磁場結(jié)構(gòu)內(nèi)部的復(fù)雜物理過程。超聲速太陽風(fēng)與星體磁場之間的相互作用正是空間物理學(xué)研究的重要課題之一。
事實上，太陽系的行星上，都存在著行星尺度的磁場。這些磁場或由星體自身的發(fā)電機系統(tǒng)驅(qū)動，或在運動的行星際磁場中感生。這些磁場的空間尺度巨大。在與太陽風(fēng)相互作用的過程中，在星體向陽面或者側(cè)翼，行星磁場可以延伸至數(shù)十倍于星體半徑的空間，在背陽面則可拖曳出數(shù)百倍于星體尺度的長尾巴。這些磁場所覆蓋的區(qū)域，往往被稱為“行星磁層”。
在過去60多年的太空探索中，人類發(fā)射了多顆深空探測器對太陽系中的行星磁層進行了廣泛的探測，掌握了大量的觀測資料，對行星周邊的磁場結(jié)構(gòu)和物理過程有了較為充分的認(rèn)識。
小行星上也可能存在磁場，然而，對小行星磁場的測量則相當(dāng)困難。我們既沒有探測器在某顆小行星周邊長期近距離繞飛測量，也未實現(xiàn)登陸小行星對磁場進行就位測量。目前我們僅有一些探測器遠(yuǎn)距離飛掠小行星時的探測資料。
比如，上世紀(jì)90年代，伽利略號探測器（Galileo）曾經(jīng)接近過一顆名為Gaspra的小行星，并在1500千米的距離上探測到這顆小行星對行星際磁場的擾動，并推測該小行星的磁場特性。這是一顆直徑不足20千米但磁化的小天體，其磁場的空間尺度也僅為200千米。由于測量距離遙遠(yuǎn)，伽利略號探測器的探測資料并不能給我們提供Gaspra的磁場細(xì)節(jié)，更無法給出這樣小尺度的磁場結(jié)構(gòu)究竟如何與超聲速太陽風(fēng)相互作用的詳細(xì)圖景。人們習(xí)慣于思維慣性，認(rèn)為它們和行星磁層與太陽風(fēng)的相互作用具有相似的場景。為突出這種相似性，人們把小尺度磁場與太陽風(fēng)相互作用形成的空間結(jié)構(gòu)稱為“迷你磁層”。
眾所周知，月球表面散落著眾多的小尺度的剩余磁場。這些磁場的月面強度通常為幾十納特，最高可達(dá)一千納特。它們的月面水平尺度為數(shù)十或數(shù)百千米不等，而垂直尺度往往只有幾十千米。它們在與太陽風(fēng)相互作用時，可能形成諸多的“迷你磁層”結(jié)構(gòu)。諸多的數(shù)值模擬工作表明，月球剩余磁場與太陽風(fēng)的相互作用區(qū)一般位于距離月面30千米高度之內(nèi)。再加上我們已經(jīng)擁有諸多攜帶等離子體和電磁場探測設(shè)備的衛(wèi)星在月面附近長期繞飛測量，月球本應(yīng)是研究和探索“迷你磁層”的最好的場所。
然而，由于月面的高山海拔最高可達(dá)11千米，為防止由于衛(wèi)星軌道控制誤差而撞擊月面的情況發(fā)生，通常的繞月探測衛(wèi)星高度一般都在30千米之上。比如，中國的嫦娥衛(wèi)星（Chang’e）的常規(guī)探測高度在120千米，美國的月球探礦者號飛船（Lunar Prospector）主要觀測高度在60-80千米。它們都沒有深入到距離月面30千米之內(nèi)的迷你磁層區(qū)域，這造成月球剩余磁場與太陽風(fēng)相互作用的實地觀測資料也相當(dāng)缺乏。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室張輝和魏勇研究員等，詳細(xì)研究了位于距離月面1個月球半徑（約1738千米）高度內(nèi)等離子體和電磁場衛(wèi)星探測資料，以尋找剖析剩磁與太陽風(fēng)相互作用的關(guān)鍵證據(jù)。這一高度范圍仍然位于月球“迷你磁層”之外，好在太陽風(fēng)與剩磁相互作用過程所反射的太陽風(fēng)離子和所激發(fā)的電磁波動可以傳播到此區(qū)域，它們攜帶著相互作用的關(guān)鍵信息，成為遙感太陽風(fēng)-剩磁相互作用的關(guān)鍵物理參數(shù)。
月球剩磁上的太陽風(fēng)離子反射，是月球空間物理研究早就關(guān)注的重要問題之一。其之所以受到關(guān)注，很大原因仍然是從類比的角度出發(fā)，太陽風(fēng)離子反射是“行星磁層”弓激波外的常見現(xiàn)象。對于月球而言，這些反射離子會對月球周遭空間環(huán)境有顯著影響。比如，這些反射離子會被周邊的超聲速太陽風(fēng)捕獲，從而降低太陽風(fēng)速度，引起太陽風(fēng)中行星際磁場的異常增強。由于這些反射離子總是太陽風(fēng)電場的作用下偏轉(zhuǎn)到月球的一側(cè)，從而造成月球周邊磁場擾動的顯著不對稱性。正如我國嫦娥衛(wèi)星所觀測到的，這些反射離子還可以在太陽風(fēng)中被加速并深入到月球后部的太陽風(fēng)尾跡當(dāng)中去，并在月球尾跡中引起電磁波動。
最新的探測結(jié)果還表明，這些反射的離子可以向相反方向深入到太陽風(fēng)中去，到達(dá)距離月面400-500千米的高度，對入射的超聲速太陽風(fēng)形成新的障礙，并在那個高度上形成激波的結(jié)構(gòu)。這個結(jié)果表明，人們對迷你磁層的認(rèn)識還沒有統(tǒng)一：一方面，人們基于與“行星磁層”的類比，相信月球剩磁反射太陽風(fēng)源于迷你磁層前激波結(jié)構(gòu)；另一方面，人們又相信這些被迷你磁層前的激波所反射的太陽風(fēng)粒子會在更上游形成新的激波結(jié)構(gòu)。事實上，我們尚不明確太陽風(fēng)離子是如何被月球剩磁反射的。
月球周邊也存在豐富的電磁波動，其頻率范圍跨度很大，從0.01赫茲到數(shù)千赫茲不等，它們可由各類磁流體物理過程或者動力學(xué)物理過程所激發(fā)。這些波動中，與太陽風(fēng)-月面剩磁相互作用緊密相關(guān)的是頻率為1赫茲的低頻波。從波動的頻率看，它們與離子的回旋頻率相當(dāng)，再加上該頻率范圍的波動在“行星磁層”弓激波外非常常見，研究早已認(rèn)為這些低頻波動是由弓激波上反射的離子所激發(fā)的離子回旋共振波動，人們自然而然地認(rèn)為月球上1赫茲波動也是由于“迷你磁層”弓激波上反射的離子回旋共振造成的。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，月球上該頻率的波動是左旋波哨聲波，這些波動只能是由電子產(chǎn)生?？梢?，學(xué)界對于1赫茲低頻波的起源問題的認(rèn)識也不統(tǒng)一。
地球與行星物理院重點實驗室研究團隊詳細(xì)研究了月球剩磁的反射粒子和低頻波動的特征。研究發(fā)現(xiàn)這里反射離子和低頻波動在空間分布上并不重合，即反射粒子所能到達(dá)的區(qū)域并不一定有低頻波動存在（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)直接說明反射離子并不是低頻波動的起源，這與“行星磁層”激波前兆區(qū)域的情形完全不同。
圖1 月球周邊1Hz磁場低頻波動分布（左）與反射太陽風(fēng)離子分布（右）。波動在月球周邊展示出翅狀結(jié)構(gòu)。波動與反射粒子的空間區(qū)域并不重合。
低頻波動在月球周遭的分布呈現(xiàn)出翅狀結(jié)構(gòu)（圖1左）。這些波動起源于30千米高度以下的剩磁-太陽風(fēng)相互作用區(qū)，在以400千米/秒的背景太陽風(fēng)中，沿著磁力線向月球兩側(cè)運動，從而展示出翅狀結(jié)構(gòu)，就如同大海中航線的船只在其兩側(cè)拖拽出的尾跡一般。根據(jù)翅狀結(jié)構(gòu)的張角和太陽風(fēng)的速度，可以推斷出波動的傳播相速度，計算結(jié)果完全符合哨聲波的傳播特征，它該是由電子的運動造成的。然而電子的運動特征頻率在千赫茲范圍，電子如何能產(chǎn)生該低頻波動（1赫茲）呢？
研究提出，這些低頻波動不是電子作為“粒子“運動的結(jié)果，而是電子流體遇到月球剩余磁場時繞流運動的結(jié)果（電子回旋尺度為10千米，遠(yuǎn)小于剩磁的空間尺度）。月球剩磁水平尺度大約為500千米，太陽風(fēng)中的電子流體的速度約為400千米/秒。繞流運動的時間尺度在1秒附近，其對應(yīng)的頻率在1赫茲。研究還表明，月球低頻哨聲波或是單色波，但一般是寬頻波動，覆蓋0.1-10赫茲的頻率范圍。這一個結(jié)果是由月面磁場的復(fù)雜結(jié)構(gòu)造成的。月面磁場的空間尺度并不是單一的，甚至在相鄰區(qū)域磁場分布的空間頻率很寬（10-1000千米），這是造成寬頻哨聲波的原因。
該研究工作也對反射離子的特性進行了分析。研究結(jié)果表明，入射的太陽風(fēng)離子在月球剩磁外經(jīng)歷了鏡面反射（圖2）。該結(jié)果反映離子在這一相互作用過程中，與電子流體不同，它們更展示出的“粒子特性”，這源于它們的回旋尺度與月面剩磁的空間尺度相當(dāng)。離子的鏡面反射則表明垂直電場在相互作用過程中的主導(dǎo)作用。
圖2 圖1右圖中反射離子表現(xiàn)出鏡面反射的特診。
整個分析可以看出，作為具有較小動量的電子流體在遭遇到月球剩磁時被磁場所阻礙并繞流，產(chǎn)生低頻哨聲波；而具有大動量的離子則會與電子流體分離，刺入月球剩磁較深的區(qū)域，在產(chǎn)生垂直電場的同時，離子自身也被該垂直電場所反射（圖3）。因此，太陽風(fēng)與月球剩磁相互作用過程與行星磁層的場景完全不同，激波結(jié)構(gòu)不再是必然結(jié)果，月球“迷你磁層”不具有與“行星磁層”可比擬的結(jié)構(gòu)。由于激波是磁層的必要組件，基于類比目的的月球“迷你磁層”的稱號似乎不甚合適。
圖3 太陽風(fēng)與小尺度（~100千米）月球剩余磁場相互作用場景：激波不再形成；入射太陽風(fēng)離子表現(xiàn)為“粒子”性，被鏡面反射；入射電子表現(xiàn)為流體性，圍繞剩余磁場繞流，從而產(chǎn)生哨聲波，形成哨聲翅；離子與電子的空間分離或運動解耦產(chǎn)生垂直于月面的電場，從而反射入射離子。
這一研究結(jié)果不僅揭開了小尺度磁場與太陽風(fēng)相互作用的圖景，還可能讓低頻哨聲波成為我們探索小行星磁場的重要診斷工具。由于相互作用過程中所產(chǎn)生的哨聲波的相速度很快，在通常太陽風(fēng)中可達(dá)1000千米/秒，這些波動可以從小行星或者星體剩磁很快傳播到遙遠(yuǎn)的空間中去，從而被抵近的人類探測器所捕獲。這些哨聲波的波長/頻率與小行星或者星體表面剩磁的空間尺度密切相關(guān)，可以利用它們反演小行星磁場尺度和強度，從而讓其成為遙感小行星磁場的重要診斷工具。
該成果以Whistler Wings and Reflected Particles During Solar Wind Interaction of Lunar Magnetic Anomalies為題發(fā)表于地球物理學(xué)術(shù)期刊GRL: Zhang, Hui, Yong Wei, Jun Zhong, Tianxin Zhang, Libo Liu, Binbin Ni, Jinbin Cao, Song Fu, Yiding Chen, Suiyan Fu and Weixing Wan (2021)。Geophysical Research Letters 48(8): e2021GL092425。研究受中國科學(xué)院先導(dǎo)專項B類（XDB41000000）和國家自然科學(xué)基金（41731068,41774175,41941001,41674163和41974186）的資助。
參考資料：
1. Kivelson, M. G., L. F. Bargatze, K. K. Khurana, D. J. Southwood, R. J. Walker, and P. J. Coleman (1993), Magnetic-field signatures near Galileo closest approach to Gaspra, Science, 261(5119), 331-334, doi:10.1126/science.261.5119.331.
2. Zhang, T.-X., et al. (2020), Asymmetric Lunar Magnetic Perturbations Produced by Reflected Solar Wind Particles, Astrophys. J. Lett., 893(2), doi:10.3847/2041-8213/ab8640.
3. Zhong, J., et al. (2013), Chang'E-1 observations of pickup ions near the Moon under different interplanetary magnetic field conditions, Planet Space Sci., 79-80, 56-63, doi:10.1016/j.pss.2013.02.001.
來源：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
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