月球電離層掩星探測研究

王震,王娜,平勁松

(1.中國科學(xué)院新疆天文臺,烏魯木齊830011;2.中國科學(xué)院國家天文臺月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012)

月球電離層掩星探測研究

王震1,2,王娜1,平勁松2

(1.中國科學(xué)院新疆天文臺,烏魯木齊830011;2.中國科學(xué)院國家天文臺月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012)

日本SELENE/KAGUYA探測任務(wù)提供了研究月球電離層的機(jī)會。采用無線電掩星探測技術(shù)和趨勢外推算法,消除地球電離層和行星際等離子體的干擾影響,殘余的信號相位信息的變化反映了月球電離層的信息,估算出月球周圍附近近似對稱分布的稀薄電離層中電子總含量(TEC)約為每立方米10-14個(gè)。

月球電離層;電子總含量(TEC);無線電掩星

0 引 言

地球的大氣層存在電磁波頻率窗口,地球的電離層屏蔽來自地球之外低于20 MHz的射電頻率,地面設(shè)備不能探測捕獲到宇宙射線中低于20 MHz的頻率。月球的背面具有獨(dú)特的天文觀測的優(yōu)勢,規(guī)避了地球電離層的影響,有利于實(shí)施宇宙線中的長波觀測。月球的空間環(huán)境近似真空狀態(tài),使得在月球表面探測非常低的電波頻率成為可能,月球表面空間富含大量的1～10 MHz電波頻率,此波段的頻率揭示宇宙大爆炸后,宇宙早期階段的演化形成過程,由于在z＞130的條件下,HI 21 cm的譜線轉(zhuǎn)變到10 MHz的頻率范圍內(nèi)[1],可以有效實(shí)現(xiàn)宇宙射線的探測和事例的重建。在太陽紫外線輻射的作用下,月球向日側(cè)的大氣產(chǎn)生電離,在距月球表面5～10 km的高度形成非對稱、零星分布的稀薄等離子體稱為“月球電離層(lunar ionosphere)”,或者“月球等離子體云(lunar plasma cloud)”。月球的電離層與地球的電離層相比較,前者的電離層非常稀薄、稀疏。月球電離層的電子密度預(yù)期估計(jì)約為每立方厘米102～104個(gè),比地球大氣密度小約14個(gè)數(shù)量級,此種情況實(shí)施低頻技術(shù)才能滿足觀測條件。月球電離層總的電子含量(total electron content,TEC)約是0.01 TECU,大約為地球電離層的幾千分之一或者更少。月球的TEC如此之小,很難被探測到。介于過去對月球電離層觀測條件的限制,其觀測數(shù)據(jù)積累很少,人們對月球電離層知之甚少,至今,月球稀薄的電離層仍然是一個(gè)有趣和具有爭議的研究。

1 月球電離層研究簡史和現(xiàn)狀

到目前為止,人類已經(jīng)發(fā)射了大約百顆月球探測器。Apollo 12、14、15、16、17和Luna 16、20、24實(shí)施了載人和不載人的登月采樣返回,共獲得了382 kg的月球樣本和海量的科學(xué)數(shù)據(jù)[2]。

在近月空間環(huán)境的電離層探測方面,前人已經(jīng)做了大量的研究工作。20世紀(jì)40—50年代,人們通過地球上的偏振光儀觀測到在月球表面日夜交替線附近的氣體極化現(xiàn)象,此證據(jù)表明月球表面附近空間存在有稀薄氣體層[3-4]。月球表面H的電離能約為10 e V,Ne和Ar的平均電離能約為19 e V,由此猜想稀薄氣體層中的離子在太陽風(fēng)輻射譜段中最大通量約為37 e V的紫外線輻射作用下,光致電離形成月球微弱的電離層。

20世紀(jì)60年代,月球宇航飛船的成功發(fā)射和無線電掩星(radio occultation,RO)技術(shù)的迅猛發(fā)展,使得人們能夠初步研究月球大氣的組成和評估月球大氣層中的氣體成分、等離子體和電子密度等。當(dāng)遙遠(yuǎn)的射電源發(fā)出的光線經(jīng)過月球的向日側(cè)邊緣附近時(shí),人們觀測到其光線在傳播路徑方向上發(fā)生了較大的角位移[5-6],此現(xiàn)象反映了射電源的電波在月球電離層中傳播時(shí),由于受到介質(zhì)折射的影響,使得光線發(fā)生了彎曲。20世紀(jì)70年代,人們發(fā)現(xiàn)月球向日側(cè)光電子殼層,帶有5～10 V的正電位。如圖1所示,太陽風(fēng)撞擊月球的表面,月球“浸泡”在太陽風(fēng)中,日側(cè)暫態(tài)電離層高度約100 km;光電子鞘中光電子密度約每立方厘米為103～105個(gè),厚度約為0.1～1 m,大氣離子鞘中離子密度約為每立方厘米10-3～10-2個(gè),厚度約為大于或等于10 m;夜側(cè)離子鞘中離子密度約為每立方厘米0.05個(gè),厚度約250 m。在距離月球向日側(cè)表面高度約幾百米處,存在密度約每立方厘米104量級的光電子鞘[7]。

月球表面大氣主要由來自太陽風(fēng)帶來的H、He、Ne構(gòu)成,其中10%的He由月球的重核放射性衰變及40K放射性衰變所形成的40Ar構(gòu)成;在向日側(cè)其密度約為每立方厘米105個(gè)。太陽風(fēng)磁場沖撞月球表面,感應(yīng)出與之相應(yīng)的電場,從而抑制月表附近積累新出現(xiàn)的離子[8]。與離子相比較,光電子產(chǎn)生的電場擁有更高溫度和速度,此電場對等離子體也有排斥的作用[9]。

圖1 月球電離層特征(引自Benson et al,1975)Fig.1 Lunar ionosphere character(Benson et al,1975)

月表剩余磁場的平均值約為50 n T,光電子鞘內(nèi)產(chǎn)生的離子,盡管被太陽風(fēng)加速,但是受到月表剩余磁場的約束,很難大于月球的逃逸速度2.4 km/ s,逃逸到行星際空間;在光電子鞘外,20 km以下區(qū)域,4He、20Ne和40Ar離子的速度分別約為1.3、0.58和0.41 km/s。距離月球表面5 km的高度,剩余磁場的強(qiáng)度約為13 n T,在月表剩磁的約束下4He、20Ne和40Ar離子的回旋半徑分別約為4、9和13 km。20 km以上區(qū)域,離子受到太陽風(fēng)的直接加速作用。

Luna 19和22在環(huán)月軌道上采用雙頻RO技術(shù),探測到月球日出線(lunar sunrise terminator)附近電子密度很大[9-12],如圖2。在球?qū)ΨQ的假設(shè)條件下,Vyshlov(1976)解算出距離月表5～10 km的高度電子密度取得峰值,大小約為每立方厘米500～1 000個(gè);標(biāo)高為10～30 km,電子密度隨著距離月表高度的增加而逐漸降低;在標(biāo)高5 km之下,越逼近月球表面,電子密度越低。

Russell等(1976)研究分析Apollo 15獲得的月球固有磁偶極矩和感生磁偶極矩的數(shù)據(jù),解析結(jié)果給出月球擁有微弱的電離層,離子密度約為每立方厘米500個(gè),離子的能量約為0.2 eV。此結(jié)果與月球大氣的電離率約為0.2%～0.5%[13]相符合。Daily等[14]質(zhì)疑Luna 19和22的觀測結(jié)果,認(rèn)為觀測量均是在月球向日側(cè)日出線附近觀測得到,極高的電子密度可能是分析技術(shù)的缺陷造成的假象。Vyshlov(1976)[11]認(rèn)為剩余磁場能夠屏蔽太陽風(fēng),月球表面可以積累等離子體;如果粒子鏡面反射條件沒有滿足,粒子被月表附近的本地磁場束縛住,那么,中性粒子密度約為每立方厘米106個(gè),電離速率約為每秒10-6個(gè),離子平均壽命約400 s,離子平衡密度約為每立方厘米400個(gè)。

圖2 蘇聯(lián)Luna 19,22觀測到的月球電離層電子密度輪廓圖(引自:Vyshlov,1976;Vyshlov and Savich,1978)Fig.2 Electron density profiles above the lunar surface obtained through occultation observation conducted by Soviet Luna 19,22 missions(Credit:Vyshlov,1976;Vyshlov and Savich,1978)

Potter等(1988)利用光譜分析技術(shù)處理Apollo的觀測數(shù)據(jù),解析出月球大氣中存在源于Na原子和K原子的D2譜線。Mendillo(1991)等利用立奧日冕儀的觀測數(shù)據(jù)對月球大氣中的金屬原子進(jìn)行二維成像,確認(rèn)月球大氣中Na原子和K原子密度分別約為每立方厘米67個(gè)和15個(gè),原子的標(biāo)高分別約為120 km和90 km,原子的分布從月球表面一直延伸到4個(gè)月球半徑之外。月球大氣中金屬原子氣體的存在,證明隕石對月球表面的撞擊是月球大氣形成的原因之一。

Apollo和“月球勘探者”計(jì)劃[15-16]觀測到月球表面殘余磁場:場強(qiáng)約300 n T,高度達(dá)到1 000 km。月球表面電子密度非常高,歸因于光電子鞘的作用[17]。太陽紫外線輻射、太陽風(fēng)高速粒子流與月球大氣和月球風(fēng)化層相互作用,使得在距離月表之上100 km的區(qū)域內(nèi),離子密度約為每立方厘米1個(gè),這是目前認(rèn)為月球表面附近存在帶電離子的主要原因[18]。月表局域磁場抑制太陽風(fēng),在月表附近形成微磁氣圈系統(tǒng)[19]。Futaana(2003)等利用離子分光儀探測到可能被微磁氣圈系統(tǒng)所反射的質(zhì)子。2006年,歐洲發(fā)射了SMART-1號繞月飛船,通過RO技術(shù),收集近月空間不同經(jīng)度和地方時(shí)的月球電離層電子密度總含量數(shù)據(jù),以期建立更為準(zhǔn)確的月球電離層模型。Stubbs等[20-21]認(rèn)為月表附近可能攜帶大量電子的塵埃能夠被近月空間的電場加速,并向上到達(dá)很高的區(qū)域,由此能夠解釋Apollo探月飛船著陸器(1966～1977)和宇航員的所攜帶的儀器觀測到的月表帶電塵埃云攜帶大量電子造成的太陽光的散射。

對月球而言,每29.5天中,它有4天處在地球磁場空間的遠(yuǎn)磁尾中,地球磁尾屏蔽、減弱了太陽風(fēng)對月球的撞擊力度,導(dǎo)致月表向日側(cè)離子密度變小。

總之,月球表面不存在對稱的全球性的電離層;太陽風(fēng)中的粒子體沖擊月球時(shí),在月球的向日側(cè)邊緣可能存在電離層;月球電離層電子密度的變化與太陽風(fēng)、月表剩余磁場、月相和月壤化學(xué)組成等有關(guān)。

有關(guān)探索月球電離層存在的研究和討論延續(xù)至今,月球弱的重力場、微弱的局部磁場和稀薄的大氣,導(dǎo)致了獨(dú)特的月球電離層特性,對研究月球空間環(huán)境,建立月球基地,探索太陽系類月星體的電離層具有重要的借鑒意義。2007年的SELENE工程任務(wù)中的無線電科學(xué)實(shí)驗(yàn)為系統(tǒng)研究月球電離層、探究月球電離層的存在并揭示其產(chǎn)生機(jī)制提供了機(jī)遇[22-23]。

2 SENELEN觀測實(shí)驗(yàn)

日本探月工程SELENE任務(wù)中的探測器由3顆衛(wèi)星組成:一顆三軸穩(wěn)定的主衛(wèi)星和兩顆飛行在相同軌道面不同的橢圓極軌軌道上的子衛(wèi)星,其中一顆VLBI子衛(wèi)星“VRAD Sat.”發(fā)射同步的3個(gè)S-band和1個(gè)X-band信號;另一顆中繼衛(wèi)星“Relay Sat.”,發(fā)射同步的3個(gè)S-band信號,它們的軌道周期分別約為120、153和240 min,軌道高度分別約為100、129～792、120～2 395 km。如圖3。2007年9月14日,在種子島空間中心[24-25],利用H-IIA火箭成功發(fā)射,Vstar在軌時(shí)間為2007年10月12日—2009年6月29日,Rstar在軌時(shí)間為2007年10月9日—2009年2月12日。該工程的科學(xué)目標(biāo)是利用SELENE搭載的科學(xué)探測儀器測量月球重力場、磁場、月球地形、月殼、月球環(huán)境,并在月球軌道位置處觀測日地空間等離子環(huán)境[24-25],由此研究月球的起源與演化。

圖3 SELEN衛(wèi)星Fig.3 SELENE satellite

傳統(tǒng)的多普勒技術(shù)在視線方向上跟蹤目標(biāo)靈敏度高,甚長基線干涉技術(shù)(VLBI)對與視線垂直方向上的目標(biāo)的軌道變化有較高的靈敏度。美國NASA和歐洲ESA等已把VLBI技術(shù)廣泛應(yīng)用于深空探測器的精密定軌。SELENE任務(wù)同時(shí)實(shí)施VLBI、多普勒技術(shù)和同波束技術(shù),極大地提高了深空探測器的測定軌精度。SELENE任務(wù)在全球分布8個(gè)地面跟蹤站,日本國內(nèi)跟蹤站4個(gè),分別為Mizusawa(MZ),Iriki(IR),Ishigaki(IS)和Ogasawara(OG),國際跟蹤站4個(gè),分別為Urumqi (UR),Shanghai(SH),Wettzell(WZ)和Hobart (HO)[26],地球上望遠(yuǎn)鏡基線距離變化從796 km (SH-IS)到12 247 km(HO-WZ)。烏魯木齊站(新疆天文臺)位于中國的新疆維吾爾自治區(qū),海拔2 033.18 m,經(jīng)度87°10′41″E,緯度43°28′17.4″N,特殊的地理位置和優(yōu)良的射電環(huán)境,使之成為國際VLBI網(wǎng)中重要的觀測站之一。2008年1月、5月、6月、7月和2009年的2月期間,烏魯木齊站參與觀測238.71 h[27]。觀測模式分為5種,Vstar/Rstar單獨(dú)觀測,Main-sat.單獨(dú)觀測,Vstar/Rstar每間隔2分鐘交替觀測和Vstar/Rstar同波束觀測。

基于SELENE任務(wù),我們使用VLBI觀測實(shí)現(xiàn)月球電離層的RO觀測技術(shù),探索具有爭議的月球是否存在電離層的研究課題。地基RO觀測模式具有高精度、高分辨率全天候觀測的優(yōu)點(diǎn),是探測行星大氣和電離層的常用技術(shù)手段。地面望遠(yuǎn)鏡跟蹤目標(biāo)行星的衛(wèi)星,衛(wèi)星被行星周圍的電離層遮掩,衛(wèi)星發(fā)出的電波在穿透電離層時(shí),被電離層折射,傳播路徑發(fā)生改變,根據(jù)衛(wèi)星與跟蹤站電波通信鏈路的幾何構(gòu)型關(guān)系,利用跟蹤站接收到的電波相移信息,研究行星電離層的特性。Vstar在繞月球的任務(wù)軌道上,向位于地球上的接收機(jī)發(fā)送信號。在地球跟蹤站的視線方向,當(dāng)Vstar飛到月球電離層的后方(下降掩星階段),被月球電離層遮掩,Vstar向地球發(fā)射的電波路徑將穿過月球電離層,在電離層的作用下,使得電波信號相移和振幅發(fā)生改變。而后, Vstar飛到月球后方,被月球幾何球面遮掩,跟蹤站接收不到Vstar發(fā)出的信號。一段時(shí)間過后,Vstar從月球幾何球面的另一側(cè)飛出來(上升掩星階段),依相反的次序重復(fù)剛才的過程。跟蹤站接收來自Vstar發(fā)出的S/X雙頻信號,在地球-月球間的傳播路徑幾乎一致,受到的地球中性大氣層和地面接收設(shè)備的干擾因素幾乎相同,經(jīng)過S/X信號相位差分后,相同的誤差源被消除,在一次RO事件的入掩前或者出掩后50～100 s期間,地球電離層相比于月球電離層產(chǎn)生相移高出約100倍或者更多。利用外推算法扣除地-月星際介質(zhì)、地球電離層的干擾影響,憑借衛(wèi)星發(fā)出的電波被月球電離層遮掩時(shí),依賴時(shí)間變化的相移序列,反演電波在穿透月球電離層的傳播路徑上總電子含量的廓線。

3 初步探測結(jié)果

利用SELENE工程的子衛(wèi)星Vstar,具有線性耦合關(guān)系的S/X雙頻波段耦合模式,實(shí)施傳統(tǒng)的RO技術(shù),以Iriki和Ishigaki觀測站,2008年6月28日22:00—22:20發(fā)生的入掩事件為算例。兩跟蹤站望遠(yuǎn)鏡口徑均是20 m,地理位置分別為N31° 4′,E130°6′和N24°4′,E124°0′。Vstar發(fā)出的電波途徑月表60～30 km和30～0 km,持續(xù)時(shí)間分別為22:18:00.021—22:18:55.006約55 s和22:18: 55.006—22:19:48.745約53 s。在22:19: 49.433時(shí)刻,Vstar發(fā)出的電波被月球本體遮掩。此時(shí)間段月球的狀態(tài)信息為East longitude 62.5°, North latitude 73.4°,Solar Zenith Angle 104°。

研究月球表面周圍附近非對稱、零星分布的稀薄電離層的形態(tài)學(xué),估計(jì)其電子總含量(TEC)。在視線方向上,地球電離層、行星際等離子體和稀薄的月球電離層混合在一起,為了獲得較為純凈的月球電離層信息,采用趨勢外推算法,排除地球電離層和行星際等離子體的干擾誤差影響,估計(jì)距離月表30～0 km的誤差影響,與實(shí)際測量的30～0 km的觀測數(shù)據(jù)差分,從而獲得距離月表高度30～0 km的TEC約為每平方米1014el。圖4中,線條表示IRIKI臺站觀測到的TEC隨距離月表的高度的變化,線條表示估計(jì)值;線條表示ISGK臺站觀測到的TEC隨距離月表的高度的變化,線條表示估計(jì)值。分析表明,盡管月球電離層信號很微弱,利用小型VLBI天線的掩星觀測,仍然可以有效地探測到月球電離層的分布特性。

圖4 月表電離層TEC分布Fig.4 The profile of the ionosphere on the lunar surface

4 結(jié)束語

我們已初步具備了星-地掩星觀測資料處理的能力。中國的嫦娥探月工程已發(fā)射了CE-1、CE-2、CE-3和CE-5 T1,希望在我國探月后續(xù)任務(wù)中,軌道器和中國VLBI網(wǎng)地球跟蹤站之間的鏈路遮掩期間,僅使用軌道器-地面接收站下行鏈路,軌道器使用恒溫高精度晶體振蕩器同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)S和X波段兩路耦合相干載波信號,下行接收站使用原子鐘提供時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。在月球電離層遮掩軌道器-觀測者之間的視線時(shí),電離層延遲效應(yīng)導(dǎo)致穿過它的無線電波被減速,產(chǎn)生電波的多普勒“紅移”和相位的增加,與月球電離層分布特性對應(yīng)。利用觀測記錄下行轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的載波信號的頻率、相位,重建月球電離層物理參數(shù)剖面。

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[責(zé)任編輯:高莎]

Introduction of Lunar Ionosphere Research by RO Method

WANG Zhen1,2,WANG Na1,PING Jinsong2
(1.Xinjiang Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Urumqi,Xinjiang 830011,China; 2.Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration,National Astronomical Observatories,CAS,Beijing 100012,China)

To measure the thin plasma layer above the surface of the moon,via using radio occultation technique and coherent radio waves of the S/X band,dual-frequency measurements could be acquired at a given Earth-based receiving station.On the line-sight direction,the terrestrial ionosphere,interplanetary plasma and thin lunar ionosphere are mixed together,in order to investigate the relatively pure variation of ionospheric total electron content(TEC)surrounding the moon,Using the trend extrapolation method,the terrestrial ionosphere and interplanetary disturbance error influence could be eliminated,so as to estimate the fitting trend component.The TEC of lunar ionosphere is obtained about 10-14/m2,after subtracting this trend component from the original observation data obtained at the tracking station.

lunar ionosphere;total electron content;radio occultation

P691

:A

:2095-7777(2014)03-0220-06

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.010

王震(1981—),男,助理研究員,博士研究生,主要研究方向:月球行星探測,行星物理。

2014-07-27

2014-08-17

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB857101)