APJL:太陽風反射粒子對近月表磁場擾動的影響

2020-12-03 中科院地質地球所

張天馨等-APJL:太陽風反射粒子對近月表磁場擾動的影響

磁場擾動是天體與太陽風相互作用的關鍵特徵。不同於地球，月球沒有明顯大氣和全球性的強磁場，因此，超聲速的太陽風會直接轟擊月球表面，月球向陽面吸收太陽風粒子，太陽風所攜帶的行星際磁場則穿越月球，在月球背面形成等離子體空腔，即月球尾跡（圖1）。由此形成的抗磁電流，會在月球後方產生全球性的磁場擾動：增強尾跡中心的磁場並減弱尾跡四周的磁場。除了尾跡這種全球性擾動之外，月球表面還有許多區域性的磁場增強。前人的研究普遍認為，這些磁場增強是由於行星際磁場在月面剩磁上遊堆積壓縮而產生，但是，後續研究發現增強特徵和剩磁區域並不存在一一對應的位置關係。月球周邊這種區域性磁場增強的成因是長期困擾該領域的一個難題。

圖1 月球與太陽風相互作用示意圖（圖片來源：NASA）

太陽風入射時，除絕大部分入射粒子被月表吸收（>90%），還有一少部分被月球反射，在磁異常區上空尤為顯著。前人對月面反射粒子的探索大多集中於研究它們對近月空間等離子體環境的影響，包括加速過程、尾跡注入過程，以及波動激發過程，而入射粒子如何反射，以及它們對太陽風的反作用經常被忽略。這主要是因為這些過程往往發生在離月面較低的高度上（<30km），由於月球地形複雜，衛星很難接近月表，導致等離子觀測數據非常少；另外，也因為粒子探測器通常無法覆蓋所有能量範圍或所有方向，這導致粒子探測很難準確。相對而言，磁場探測技術已經完全成熟，其準確性也毫無爭議，因此，磁場探測可能成為診斷這些物理過程的關鍵參量。

中科院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室的張天馨博士生在導師張輝研究員的指導下，利用Lunar Prospector衛星的磁場觀測數據，對近月磁場擾動進行了深入研究。通過建立由實時變化的太陽風電磁場確定的動態坐標系，月表磁場擾動展示出了全新的空間分布特徵：在月球的晨昏線附近，沿著電場方向存在磁場分布的不對稱性；在晨昏線之前（向陽面），電場指向的一側磁場增強更顯著（圖2a、圖2e）；在晨昏線之後的尾跡區域（背陽面），電場指向的一側磁場減弱更顯著，並且發現尾跡結構發生扭轉（圖2a、圖2b、圖2f）。尤為重要的是，通過對照月球磁場模型，發現上述分布特徵與月表磁異常的空間分布沒有直接關係（圖2e-圖2h）。

圖2 統計結果：近月表磁場壓縮率（上）和月殼磁場分布（下）。a-d.沿著太陽天頂角展開圖；e-h.沿著月球-黃道面坐標系下的緯度的展開圖

近月空間磁場擾動強度由太陽風對流電場方向控制，這一觀測特徵暗示月面反射粒子的運動可能是磁場擾動的源。張天馨等利用試驗粒子模擬方法（圖3），定量地研究了反射粒子對磁場擾動，得到以下重要結論：

（1）反射粒子在太陽風的捕獲作用下，會造成太陽風的減速進而導致背景磁場的增強。由於反射粒子在電場的加速下聚集在電場指向的一側，在月球晨昏線之前，電場指向的方向磁場增強更加明顯；

（2）反射粒子的分布的不均勻性會造成月表等離子體密度的差異。在等離子體密度大的一側，產生了更強的抗磁電流，從而導致在晨昏線之後（膨脹區），電場指向的方向磁場減弱更加顯著，由此形成了不對稱的尾跡結構。

圖3 磁異常區處於不同位置時（Case a-c）以及全月面平均（Case d）的粒子反射分布。自上而下分別是：反射粒子數密度，太陽風減速幅值，磁場壓縮率

該研究發現了近月表磁場分布的新特徵（非對稱磁場增強和非對稱尾跡），同時也揭示出太陽風反射粒子的捕獲效應是近月表磁場增強的新機制。月球磁場與太陽風相互作用是小尺度磁場與太陽風相互作用的一個典型，該成果對研究小尺度磁性天體（如小行星或彗星）與太陽風相互作用具有廣泛的參考價值。

研究成果發表於國際權威學術期刊APJL。（Tian-Xin Zhang, Hui Zhang*, Hai-Rong Lai, JunZhong, Li-Bo Liu, Yong Wei, Jin-Bin Cao, Jun Cui, Chang-Bo Zhu, Sui-Yan Fu and Wei-Xing Wan. Asymmetric Lunar Magnetic Perturbations Produced by ReflectedSolar Wind Particles[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2020, 893(2): L36.DOI: 10.3847/2041-8213/ab8640）

校對：陶琴

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