高能電子爆發(fā)與繞月衛(wèi)星表面電位大幅下降的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)

王馨悅, 張愛兵, 荊濤, H.Reme, 孔令高, 張珅毅， 李春來(lái)

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心， 北京　100190 2 天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100190 3 法國(guó)國(guó)家科研中心, 法國(guó) 圖盧茲　31028 4 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái), 北京　100012

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高能電子爆發(fā)與繞月衛(wèi)星表面電位大幅下降的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)

王馨悅1,2, 張愛兵1,2, 荊濤1,2, H.Reme3, 孔令高1,2, 張珅毅1,2， 李春來(lái)4

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心， 北京100190 2 天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100190 3 法國(guó)國(guó)家科研中心, 法國(guó) 圖盧茲31028 4 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái), 北京100012

“嫦娥”一號(hào)、二號(hào)繞月飛行經(jīng)歷地球磁尾邊界層區(qū)域時(shí)，分別在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，發(fā)現(xiàn)了15次月球軌道0.1～2 MeV電子急劇增加(Bursts of 0.1～2 MeV Energetic Electrons, BEE)，衛(wèi)星周圍等離子體離子加速的現(xiàn)象.統(tǒng)計(jì)研究表明，這類現(xiàn)象發(fā)生在穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)和弱行星際磁場(chǎng)條件下，且無(wú)顯著空間環(huán)境擾動(dòng)事件發(fā)生時(shí)，離子的加速滯后于高能電子爆發(fā)，離子能量的變化與高能電子通量的時(shí)間演化正相關(guān)，地球磁鞘內(nèi)側(cè)或邊界層過(guò)渡區(qū)域是該類現(xiàn)象的高發(fā)區(qū)，離子能量增加時(shí)衛(wèi)星表面電位大幅下降可達(dá)負(fù)幾千伏.為了研究高能電子爆發(fā)與繞月衛(wèi)星表面電位變化的關(guān)系及其對(duì)月球表面電位的影響，本文用電流平衡法建立繞月衛(wèi)星和月球表面充電模型，并假設(shè)能量電子(>2 eV～2 MeV)滿足冪律譜的分布，模擬急劇增加的能量電子對(duì)衛(wèi)星和月球表面電位的影響.模擬結(jié)果表明，能量電子急劇增加使得繞月衛(wèi)星和月球表面電位大幅下降；能量電子總流量>1011cm-2時(shí),繞月衛(wèi)星和月球表面充電電位可達(dá)負(fù)上千伏；月球充電到大的負(fù)電位的時(shí)間僅為衛(wèi)星充電時(shí)間的1/10.鑒于高能電子急劇增加事件的高發(fā)生率(～125次/年)，能量電子急劇增加使得繞月衛(wèi)星表面電位大幅下降的發(fā)生率應(yīng)大于實(shí)測(cè)等離子體離子加速現(xiàn)象的發(fā)生率(～25次/年).

嫦娥一號(hào); 嫦娥二號(hào)；月球；表面充電；高能電子急劇增加事件；等離子體

1　引言

月球沒(méi)有內(nèi)稟磁場(chǎng)和稠密的大氣層，每月約4天時(shí)間，月球穿越地球磁尾，其余時(shí)間則位于太陽(yáng)風(fēng)中.帶電粒子和太陽(yáng)光輻射直接轟擊月球，使得月球表面帶電.等離子體、太陽(yáng)光、二次電子和高能帶電粒子的撞擊使得繞月衛(wèi)星表面帶電(Stubbs et al., 2007).Lunar Prospector Electron Reflectometer (LP ER)的觀測(cè)表明(Halekas et al., 2005, 2008)，通常情況下，月球表面向陽(yáng)側(cè)電位約為+10～+20 V，背陽(yáng)側(cè)電位為-100 V左右；在地球等離子體片區(qū)域，月球背陽(yáng)側(cè)電位可達(dá)負(fù)上千伏.Halekas等(2008，2009)利用LP ER實(shí)測(cè)的電子能譜模擬了太陽(yáng)質(zhì)子事件(Solar Energetic Proton Events, SEP)發(fā)生后繞月衛(wèi)星的表面充電電位，結(jié)果表明，SEP時(shí)高能粒子累積在衛(wèi)星表面可使繞月衛(wèi)星表面充電電位大幅下降.

“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射入軌后，在月球軌道200 km高度上，首次發(fā)現(xiàn)了0.1～2 MeV電子急劇增加(BEE),隨后衛(wèi)星周圍等離子體離子加速的現(xiàn)象，這類現(xiàn)象通常發(fā)生在穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)、弱行星際磁場(chǎng)(Interplanetary Magnetic Field, IMF)、空間環(huán)境弱擾動(dòng)條件下,伴隨BEE發(fā)生的等離子體離子加速現(xiàn)象可能是由于衛(wèi)星表面電位下降到大的負(fù)電位引起的，BEE可能是除了等離子體片和SEP外第三種使得繞月衛(wèi)星表面充電電位達(dá)負(fù)上千伏的誘因(Wang et al.，2012；王馨悅等，2012).“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星入軌后，在月球軌道100 km高度上也發(fā)現(xiàn)了同類現(xiàn)象.這類現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，0.1～2 MeV電子峰值通量比背景電子至少增長(zhǎng)了一個(gè)數(shù)量級(jí)，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 min.已有觀測(cè)和研究表明，能量電子急劇增長(zhǎng)事件可能出現(xiàn)在太陽(yáng)風(fēng)、地球磁尾、磁鞘及邊界層過(guò)渡區(qū)等空間環(huán)境區(qū)域.太陽(yáng)風(fēng)中的高能電子可能來(lái)源于弓激波上行粒子或“超級(jí)暈狀(super-halo)”電子(Lin, 1998).磁尾中的高能電子則可能由磁重聯(lián)引起(Egedal et al., 2010; Lu et al., 2010; Wang et al., 2010a, 2010b, 2014; Wu et al., 2015).在磁鞘內(nèi)側(cè)或邊界層過(guò)渡區(qū)域，持續(xù)幾分鐘并具有45°傾角特征的高能電子可能來(lái)自于弓激波上行粒子，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的高能電子可能起源于磁層或內(nèi)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，急劇增加的能量電子能譜通常符合冪律譜的分布特征.

為了研究“嫦娥”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的高能電子急劇增加、隨后衛(wèi)星周圍等離子體離子加速、繞月衛(wèi)星表面電位下降到大的負(fù)電位現(xiàn)象的機(jī)制，本文統(tǒng)計(jì)研究了“嫦娥”一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星繞月飛行時(shí)，在空間環(huán)境相對(duì)寧?kù)o的219天內(nèi)，觀測(cè)到的75次0.1～2 MeV電子急劇增加現(xiàn)象與15次等離子體離子加速、衛(wèi)星表面電位大幅下降現(xiàn)象的特征與相關(guān)性；用電流平衡法建立繞月衛(wèi)星和月球表面充電模型，并將“嫦娥”實(shí)測(cè)高能電子數(shù)據(jù)擬合滿足冪律譜分布的能量電子能譜與實(shí)測(cè)等離子體能譜作為輸入條件，模擬BEE時(shí)繞月衛(wèi)星和月球表面充電電位的變化，研究高能電子急劇增加與繞月衛(wèi)星表面充電電位大幅下降之間的關(guān)系及其對(duì)月球表面充電電位的影響，為深入了解月球帶電粒子環(huán)境、進(jìn)一步開展月球科學(xué)探測(cè)提供參考.

2　“嫦娥”衛(wèi)星空間環(huán)境探測(cè)儀

“嫦娥一號(hào)”、“二號(hào)”是兩顆三軸穩(wěn)定的繞月極軌衛(wèi)星，飛行高度分別為200 km和100 km,軌道周期分別為127 min和118 min.空間環(huán)境探測(cè)儀由兩臺(tái)太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器(Solar Wind Ion Detectors，SWIDs)和一臺(tái)太陽(yáng)高能粒子探測(cè)器(High Energetic Particles Detector，HPD)組成，用于探測(cè)月球軌道帶電粒子環(huán)境(歐陽(yáng)自遠(yuǎn), 2010).“嫦娥一號(hào)”和“二號(hào)”空間環(huán)境探測(cè)儀具有相同的技術(shù)指標(biāo)和安裝位置.SWIDs用于觀測(cè)等離子體環(huán)境，主要觀測(cè)對(duì)象是太陽(yáng)風(fēng)離子.HPD用于監(jiān)測(cè)太陽(yáng)質(zhì)子事件，主要觀測(cè)對(duì)象是高能電子、離子.SWIDs和HPD由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心(前空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心)空間環(huán)境探測(cè)研究室研制.

SWIDs是一對(duì)(SWID-A/B)采用相同設(shè)計(jì)的探測(cè)儀器.探測(cè)器采用半球形靜電分析器原理，并根據(jù)能量-電荷比(E/Q)的關(guān)系，使得具有一定能量的正離子入射到微通道板上，激發(fā)出電信號(hào).SWIDs各有12個(gè)具備相同探測(cè)能力的極角，稱為極角1～12，每個(gè)極角有48個(gè)能量通道，標(biāo)號(hào)為1～48(Kong et al.,2011; Wang et al., 2012).SWIDs的技術(shù)指標(biāo)如表1.衛(wèi)星發(fā)射前，SWIDs利用法國(guó)IRAP(former CESR of Toulouse in France, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie)的5～800 keV離子源完成了地面定標(biāo)試驗(yàn).SWIDs安裝在衛(wèi)星頂角處指向天空，SWID-A和B的視場(chǎng)幾乎相互垂直.衛(wèi)星繞月飛行時(shí)，SWID-A和B的探測(cè)視場(chǎng)分別垂直和平行于衛(wèi)星前進(jìn)方向.

表1　SWIDs的技術(shù)指標(biāo)Table 1　Performance of SWIDs

HPD的傳感器由3片半導(dǎo)體硅探測(cè)器組成，探測(cè)器視場(chǎng)角為60°，粒子進(jìn)入傳感器后，以電離方式損失能量，根據(jù)傳感器D1、D2和D3輸出能量的不同，區(qū)分粒子成分與能量(王馨悅等，2012).HPD安裝在衛(wèi)星的頂部，視場(chǎng)方向?yàn)槌煜?P1-P6為質(zhì)子(4～400 MeV)，E1-E2為電子(0.1～2 MeV, ≥2.0 MeV).He(13～105 MeV)表示氦離子，C(117～590 MeV)能道包含的主要離子種類為C、N、O離子，Li(34～210 MeV)能道包含的主要離子種類為L(zhǎng)i、B、Be離子.加速器定標(biāo)試驗(yàn)分別在中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理所及中國(guó)科學(xué)院近代物理所完成.放射源試驗(yàn)和模擬信號(hào)源試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心完成.

3　探測(cè)結(jié)果

“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥二號(hào)”繞月飛行的2007年11月—2008年2月與2010年11月—2011年2月，在無(wú)顯著空間環(huán)境擾動(dòng)事件發(fā)生時(shí)，月球軌道附近0.1～2 MeV的高能電子平均流量約40 (cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，≥2 MeV高能質(zhì)子平均流量約0.2～3.0(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，遠(yuǎn)低于周圍等離子體的流量.

3.10.1～2 MeV高能電子急劇增加(BEE)

我們對(duì)峰值流量大于500 (cm-2·sr-1·s-1·MeV-1) 的0.1～2 MeV高能電子急劇增加事件(BEE)開展了統(tǒng)計(jì)研究.結(jié)果表明，2007年11月26日—2008年2月5日 ，“嫦娥一號(hào)”繞月飛行的70天中有15天發(fā)現(xiàn)了0.1～2 MeV高能電子急劇增加事件，電子峰值流量最高可達(dá) 2.4×104(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1).其中有4天月球位于太陽(yáng)風(fēng)，共發(fā)現(xiàn)5次持續(xù)時(shí)間僅數(shù)分鐘的高能電子通量增加.其他11天月球位于地球磁尾、磁鞘或邊界層過(guò)渡區(qū)域，觀測(cè)到的電子通量增加事件次數(shù)達(dá)36次，持續(xù)時(shí)間從幾分鐘到近10小時(shí).2010年10月3日—2011年2月28日，“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星繞月飛行的149 天中有17天發(fā)現(xiàn)了高能電子通量增加事件，電子峰值流量最高可達(dá)0.9×104(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1).其中2天(1次/天)月球位于太陽(yáng)風(fēng)，電子通量持續(xù)增加時(shí)間超過(guò)12小時(shí).其余15天月球位于地球磁尾、磁鞘內(nèi)側(cè)或磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)域，觀測(cè)到的電子通量增加事件次數(shù)約32次，持續(xù)時(shí)間從幾分鐘到近1天.綜上所述，BEE的年發(fā)生率為125次/年；月球每次穿越磁層時(shí)，都會(huì)在磁鞘內(nèi)側(cè)或磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)域附近發(fā)現(xiàn)高能電子通量增加事件，約占全部BEE事件的70%，圖1是不同空間區(qū)域BEE事件的年發(fā)生率.我們統(tǒng)計(jì)了BEE期間衛(wèi)星在月心坐標(biāo)的位置，發(fā)現(xiàn)約70%的BEE事件發(fā)生在月球向陽(yáng)側(cè).SWIDs對(duì)等離子體離子的觀測(cè)顯示了當(dāng)?shù)氐入x子體區(qū)域的變化，當(dāng)衛(wèi)星從太陽(yáng)風(fēng)穿越到磁尾時(shí)，可以觀測(cè)到離子的密度和速度下降、溫度上升的現(xiàn)象.圖3c和圖4c是兩次典型的BEE事件.

圖1　太陽(yáng)風(fēng)、磁鞘內(nèi)側(cè)與磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)域和磁尾區(qū)域高能電子急劇增長(zhǎng)事件的年發(fā)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離子加速與衛(wèi)星表面充電電位大幅下降

衛(wèi)星繞月飛行時(shí)發(fā)現(xiàn)的0.1～2 MeV電子通量急劇增加后，衛(wèi)星周圍等離子體離子加速、整體能量顯著抬升的現(xiàn)象通常發(fā)生在日側(cè)、月球穿越磁尾、經(jīng)歷磁鞘內(nèi)側(cè)區(qū)域附近；它們發(fā)生的時(shí)段則處于太陽(yáng)活動(dòng)水平較低的2007年11月到2011年2月之間，穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)和弱行星際磁場(chǎng)(<10 nT)條件下，且空間環(huán)境較為寧?kù)o，無(wú)地磁暴發(fā)生.SWIDs與HPD的探測(cè)視場(chǎng)如圖2.BEE發(fā)生后，大量電子累積在衛(wèi)星表面，可使衛(wèi)星表面帶負(fù)電；根據(jù)圖2中探測(cè)器視場(chǎng)的幾何關(guān)系，進(jìn)入SWIDs視場(chǎng)的離子運(yùn)動(dòng)方向指向衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星表面電位下降到大的負(fù)電位時(shí)，如圖7所示，向衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的離子將被星表電場(chǎng)加速，離子能量整體抬升,離子能量的增加正比于衛(wèi)星電位變化,由于通常光照區(qū)域衛(wèi)星表面帶電僅為正幾伏(Halekas et al., 2005, 2008, 2009), 當(dāng)大的充負(fù)電事件發(fā)生時(shí),衛(wèi)星表面充電電位可估算為U≈-|ΔE/q|(對(duì)H+,q=1e)，其中ΔE為衛(wèi)星周圍等離子體離子能量的增量(eV)，U是衛(wèi)星表面電位的增量(V).我們研究了引言提到的75次BEE事件，“嫦娥”一號(hào)、二號(hào)分別發(fā)現(xiàn)8次和7次衛(wèi)星周圍等離子體離子的顯著加速現(xiàn)象，占總BEE事件的約20%，該現(xiàn)象的年發(fā)生率約為25次/年，等離子體離子能量的增加通常比高能電子通量增加滯后幾分鐘，離子能量的變化趨勢(shì)與高能電子通量的急劇增加正相關(guān).

圖2　高能電子急劇增加和等離子體離子加速聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生、繞月衛(wèi)星位于月球向陽(yáng)面時(shí)， SWIDs和HPD的探測(cè)視場(chǎng)示意圖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次等離子體離子加速事件都發(fā)生在磁鞘內(nèi)側(cè)或磁層頂邊界層附近，離子速度方向指向SWIDs視場(chǎng)時(shí)，且電子通量增加的持續(xù)時(shí)間超過(guò)了10 min.在未發(fā)現(xiàn)顯著等離子體離子加速的BEE事件中，約5%的BEE發(fā)生時(shí)SWIDs沒(méi)有數(shù)據(jù)下傳；由于太陽(yáng)風(fēng)、磁鞘附近離子分布具有很強(qiáng)的方向性，約20%的BEE發(fā)生時(shí)，離子運(yùn)動(dòng)方向恰好位于SWIDs視場(chǎng)外；約18%的BEE中，衛(wèi)星經(jīng)歷了離子密度低于SWIDs計(jì)數(shù)下限(103(cm-2·sr-1·s-1·keV-1))的磁尾區(qū)域；約9%的BEE中,高能電子急劇增加在離子進(jìn)入SWIDs視場(chǎng)前發(fā)生, 無(wú)法判斷是否存在等離子體離子加速的過(guò)程；另外約28%的BEE中，高能電子通量增加的持續(xù)時(shí)間很短，僅幾分鐘電子通量即下降到背景值.

圖3—4是“嫦娥一號(hào)”于2007年12月22日、“嫦娥二號(hào)”于2010年10月20日在月球向陽(yáng)側(cè)觀測(cè)到的兩次典型0.1～2.0 MeV 高能電子急劇增加與等離子體離子加速聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象.F1，F(xiàn)2分別對(duì)應(yīng)了“嫦娥”一號(hào)、二號(hào)觀測(cè)的高能電子通量達(dá)到峰值的時(shí)間點(diǎn).F1時(shí)刻月球坐標(biāo)(-50RE, 25RE, 4.7RE)GSE，太陽(yáng)入射角(太陽(yáng)光和HPD探測(cè)視場(chǎng)中軸線夾角)約45°； F2時(shí)刻月球坐標(biāo)(-44RE, 39RE, -2.8RE)GSE，太陽(yáng)入射角約50°.SWIDs對(duì)衛(wèi)星周圍等離子體的觀測(cè)表明F1，F(xiàn)2時(shí)刻衛(wèi)星位于磁鞘內(nèi)側(cè)磁層頂邊界層附近，月球從太陽(yáng)風(fēng)向磁尾運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中.F1前后，行星際磁場(chǎng)IMF |B|為2.5～5 nT，太陽(yáng)風(fēng)速度570～660 km·s-1,溫度7.4×104～1.9×105K.F2前后，行星際磁場(chǎng)IMF |B|為 5.5～6.2 nT，太陽(yáng)風(fēng)速度425～433 km·s-1，溫度 4.1×104～1.4×105K.SWIDs和ACE衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果表明，兩次事件均具有相對(duì)穩(wěn)定的太陽(yáng)風(fēng)條件和弱的IMF(|B|<10 nT)，無(wú)明顯空間環(huán)境擾動(dòng).

圖3　“嫦娥一號(hào)”觀測(cè)的高能電子急劇增加和等離子體離子加速的聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象(a) SWID-A觀測(cè)的離子能譜；(b) SWID-B觀測(cè)的離子能譜；(c) HPD觀測(cè)的0.1～2 MeV高能電子急劇增加現(xiàn)象，其中F1是電子通量峰值，T1對(duì)應(yīng)了加速前的離子能量，T2對(duì)應(yīng)了加速后的離子能量.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.

圖4　“嫦娥二號(hào)”觀測(cè)的高能電子急劇增加和等離子體離子加速的聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象(a) SWID-A觀測(cè)的離子能譜； (b) SWID-B觀測(cè)的離子能譜； (c) HPD觀測(cè)的0.1～2 MeV高能電子急劇增加現(xiàn)象，其中F2是電子通量峰值，T3對(duì)應(yīng)了加速前的離子能量，T4對(duì)應(yīng)了加速后的離子能量.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.

圖3中，F(xiàn)1時(shí)刻 (UT 05∶09) 電子通量達(dá)約103(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，10 min后，離子能量上升到最大值，電子通量高于背景值的持續(xù)時(shí)間約27 min.圖4中，F(xiàn)2時(shí)刻(UT 14∶38) 電子通量達(dá)約103(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1),7 min后，離子能量上升到最大值，電子通量高于背景值的持續(xù)時(shí)間約29 min.圖3—4中，T1，T3是等離子體離子加速前離子能量最大值的分布范圍，T2和T4是離子加速后離子能量最大值的分布范圍，白色圓點(diǎn)表示最大能量平均值，結(jié)果表明，T2時(shí)刻衛(wèi)星表面電位最大降幅為-5.4 kV，T4時(shí)刻衛(wèi)星表面電位最大降幅為-2 kV.圖5是等離子加速事件發(fā)生前和發(fā)生期間的離子能譜，結(jié)果表明，衛(wèi)星表面的電位增加提高了衛(wèi)星周圍等離子體離子的能量.

月球穿越磁尾，將遭遇磁鞘、磁層頂邊界層、磁尾瓣區(qū)域，磁尾瓣區(qū)域離子流量遠(yuǎn)低于太陽(yáng)風(fēng)離子流量，使得觀測(cè)計(jì)數(shù)率低于SWIDs觀測(cè)下限，各區(qū)域的典型離子能譜分布的觀測(cè)特征如圖6.與太陽(yáng)風(fēng)相比，磁鞘離子溫度顯著上升，能譜分布觀測(cè)特征則與太陽(yáng)風(fēng)相似，各向異性特征顯著；磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)域附近離子的觀測(cè)特征與太陽(yáng)風(fēng)、磁鞘區(qū)域離子存在較大差異，它的密度顯著下降，能譜分布各向同性特征較強(qiáng).根據(jù)SWIDs實(shí)測(cè)等離子體分布特征隨時(shí)間的變化，圖3—4中兩次離子加速事件前后，月球均處于穿越磁鞘向磁尾方向的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中；F1與F2對(duì)應(yīng)時(shí)刻太陽(yáng)入射角45°～50°，偏離太陽(yáng)風(fēng)入射方向；加速事件前后離子能譜分布具較強(qiáng)的各向同性特征，上述結(jié)果表明，離子加速期間衛(wèi)星始終處于磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)域附近.

圖5　等離子加速事件發(fā)生前(2007-12-22 03∶06，2010-10-20 14∶02)和等離子加速事件發(fā)生期間(2007-12-22 05∶12，2010-10-20 14∶46)的離子能譜分布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　繞月衛(wèi)星表面充電建模與分析

4.1建模方法

在月球向陽(yáng)面，空間環(huán)境相對(duì)較為平靜、BEE發(fā)生時(shí)，繞月衛(wèi)星表面收集的電流，主要包括環(huán)境等離子體電子和離子電流、光照作用下產(chǎn)生的光電子電流、BEE注入的高能電子電流、離子和電子撞擊表面產(chǎn)生的二次電子電流等等效電流,如圖7是衛(wèi)星表面電流成分示意圖,在等離子體環(huán)境中,表面電位將在衛(wèi)星周圍產(chǎn)生等離子體鞘,影響周圍等離子體分布,進(jìn)而影響環(huán)境產(chǎn)生的入射電流.衛(wèi)星表面的總電流代數(shù)和為零，即達(dá)到了電流平衡的狀態(tài)，可以表示為ΣJk=0，其中，Jk表示衛(wèi)星表面收集的電流，包含光電流Jv、離子電流JI、電子電流JE、高能電子電流JEI和二次電子電流JSEC，每一項(xiàng)都是衛(wèi)星表面電位U的函數(shù).根據(jù)電流平衡方程建立繞月衛(wèi)星表面充電模型，模式的計(jì)算流程為假定衛(wèi)星表面電勢(shì)為U，通過(guò)改變U值，計(jì)算表面凈電流，凈電流約0時(shí)的U就是表面平衡電位.

圖6　2010-10-16—2010-10-21月球穿越太陽(yáng)風(fēng)、遭遇磁鞘、磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)域，進(jìn)入磁尾過(guò)程中，“嫦娥二號(hào)”SWID-B觀測(cè)的離子能譜(a) 太陽(yáng)風(fēng)； (b) 磁鞘； (c) 磁層頂邊界層過(guò)渡區(qū)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.

圖7　衛(wèi)星表面電流成分示意圖Fig.7　Sketch of surface charging of spacecraft

磁鞘內(nèi)側(cè)、邊界層附近等離子體的德拜半徑約幾十米到幾百米，大于繞月衛(wèi)星的特征尺寸(1 m)，與衛(wèi)星表面相互作用的等離子體可以近似為厚鞘層.對(duì)于厚鞘限制，表面收集的電子電流JE、離子電流JI與表面電壓關(guān)系如下(Whipple，1981；師立勤，2011):

(1)

JI=JI0(1-eU/E)，

(2)

e是單位電荷電量，E是帶電粒子能量，JE0和JI0分別是能量為E的入射電子和入射離子的自由電流密度.月球特征尺寸遠(yuǎn)大于德拜半徑，建模時(shí)考慮薄鞘限制.對(duì)于薄鞘限制，表面收集的電子電流JE、離子電流JI與表面電壓關(guān)系如下(Whipple，1981；師立勤，2011):

(3)

JE=JE0, U≥0,

(4)

JI=JI0, U≤0,

(5)

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

(6)

將繞月衛(wèi)星看作是一個(gè)直徑1 m的球，表面覆蓋材料是鋁，則光照產(chǎn)生的光電子電流約50 μA·m-2.對(duì)于月球，光照產(chǎn)生的光電子電流約5 μA·m-2(Halekas et al., 2008, 2009).入射電子產(chǎn)生的二次電子電流為JSECE=YSEJE；入射質(zhì)子產(chǎn)生的二次電子電流表達(dá)為JSECI=YSIJI，YSI和YSE分別是入射質(zhì)子和電子的二次電子產(chǎn)生率(Whipple，1981；師立勤，2011).

(7)

YSE=2.228δm(QE-1+e-QE)(Em/E)0.35/QE.

(8)

(7)式中QI=1/E-0.1， Y1為能量1 keV入射質(zhì)子的產(chǎn)生率，Em是產(chǎn)生最大入射率的入射質(zhì)子能量；(8)式中，δm是入射電子產(chǎn)生的最大二次電子的產(chǎn)生率，QE=2.28(Em/E)1.35，Em是產(chǎn)生最大入射率的入射電子能量.衛(wèi)星或月球周圍等離子體的電流密度來(lái)自于SWIDs的實(shí)測(cè)結(jié)果.已有研究認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)或磁層中偶發(fā)的高能電子流通常符合冪律譜(J=AEγ，其中E表示能量，J表示電子通量，A和γ是方程的系數(shù))的分布(Wu et al., 2011)，本文假設(shè)BEE時(shí)高能電子滿足冪律譜分布，用HPD的觀測(cè)結(jié)果，反演獲得BEE時(shí)，>2 eV～2 MeV高能電子的時(shí)間積分譜.

表面充電的總時(shí)間可以累加每一步的充電時(shí)間估算得到，即Δt=CAΔV/Jmean，其中，CA是單位面積上的電容，Jmean是每一步的平均電流，ΔV是每一步的電壓變化值.衛(wèi)星采用直徑1 m球形電容的假設(shè)，月球看作一個(gè)無(wú)限大的平面，采用平板電容的假設(shè).

4.2模擬與分析

衛(wèi)星經(jīng)過(guò)月球向陽(yáng)面時(shí)，SWIDs和HPD指向天空，它們的探測(cè)平面均位于衛(wèi)星向陽(yáng)側(cè)，模擬表明，通常在圖2情況下，電流平衡時(shí)，月球向陽(yáng)側(cè)光照區(qū)表面充電電位約+10 V，嫦娥衛(wèi)星的光照面表面充電電位約+14.5 V，與風(fēng)云衛(wèi)星和LP ER的觀測(cè)結(jié)果基本一致(Halekas et al., 2008, 2009; Wang et al., 2012).

模擬高能電子通量急劇增加與繞月衛(wèi)星、月球表面電位變化之間的關(guān)系時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，定量地給出高能電子急劇增加后衛(wèi)星和月球表面電位的變化，我們忽略了高能電子隨時(shí)間演化的復(fù)雜過(guò)程，僅反演了>2 eV～2 MeV高能電子的時(shí)間積分譜(從高能電子通量增加開始到等離子體能量增加達(dá)到峰值為止)作為輸入?yún)?shù)，并假設(shè)充負(fù)電過(guò)程的發(fā)生從高能電子注入結(jié)束、衛(wèi)星或月球表面累積大量負(fù)電荷后開始.模擬選擇衛(wèi)星位于月球向陽(yáng)側(cè)和月球光照區(qū)，初始表面電位均設(shè)置為+15 V.

模擬表明，太陽(yáng)風(fēng)速度約400 km·s-1，密度約1 cm-3,溫度約1×105K條件下，0.1～2 MeV電子通量急劇增加期間，>2 eV～2 MeV高能電子總流量的時(shí)間積分>1011cm-2時(shí)，繞月衛(wèi)星和月球表面電位可能達(dá)-1 kV.對(duì)F1, 電子通量急劇增加期間0.1～2 MeV電子平均流量約180(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，充電時(shí)間約13 min，2 MeV電子平均流量保持在0.2(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，高能電子總流量約2×1014cm-2，衛(wèi)星表面充電電位最高-5500 V，月球表面充電電位最高-5788 V，繞月衛(wèi)星表面電流平衡時(shí)間約0.002 s，月球表面電流平衡時(shí)間約0.0002 s.對(duì)F2, 電子通量急劇增加期間0.1～2 MeV電子平均流量約550(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，充電時(shí)間約14 min，2 MeV電子平均流量保持在約1.5(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1)，高能電子總流量約3.0×1011cm-2，衛(wèi)星表面充電電位最高約-1995 V，月球表面充電電位最高-1960 V，繞月衛(wèi)星表面電流平衡時(shí)間約0.009 s，月球表面電流平衡時(shí)間約0.0006 s.繞月衛(wèi)星表面充電電位的模擬計(jì)算結(jié)果與圖3—4的實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致.圖8—9模擬了“嫦娥一號(hào)”2007年12月22日F1時(shí)刻0.1～2 MeV電子急劇增加通量達(dá)峰值后，高能電子總積分流量達(dá)2.0×1014cm-2時(shí)，繞月衛(wèi)星和月球表面電流平衡狀態(tài)下的表面充電電位和充電時(shí)間，圖8—9中，表面收集電流約0 μA時(shí)，衛(wèi)星和月球表面處于電流平衡狀態(tài)，此時(shí)的表面電勢(shì)即為最大表面充電電位.上述結(jié)果表明，空間環(huán)境相對(duì)寧?kù)o時(shí)期，月球軌道高能電子急劇增加是繞月衛(wèi)星表面充電電位大幅下降，導(dǎo)致環(huán)境等離子體離子加速的主要誘因；月球表面在高能電子急劇增加時(shí)期也可能充電到大的負(fù)電位；同一條件下，月球表面充電電位達(dá)平衡時(shí)間僅為衛(wèi)星表面充電電位平衡時(shí)間的1/10左右，這是由于衛(wèi)星采用了厚鞘層限制以及球形電容、組成材料為鋁的假設(shè)，月球采用了薄鞘層限制以及平板電容、組成材料為SiO2的假設(shè)，衛(wèi)星的單位電容比月球大約10倍，使得月球表面充電時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衛(wèi)星充電時(shí)間.

圖8　衛(wèi)星表面充電模擬Fig.8　Simulation of satellite surface charging

圖9　月球表面充電模擬Fig.9　Simulation of Lunar surface charging

5　結(jié)論

本文利用“嫦娥”一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星對(duì)月球附近等離子體和高能電子的觀測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)研究了0.1～2 MeV電子急劇增加時(shí)，衛(wèi)星周圍等離子體離子加速，繞月衛(wèi)星表面充電電位大幅下降達(dá)負(fù)上千伏的現(xiàn)象.采用電流平衡法，建立月球向陽(yáng)側(cè)光照區(qū)表面、衛(wèi)星處于該區(qū)域時(shí)光照面的表面充電模型，結(jié)合“嫦娥”一號(hào)、二號(hào)對(duì)月球附近帶電粒子環(huán)境的實(shí)測(cè)結(jié)果，模擬了空間環(huán)境相對(duì)寧?kù)o時(shí)，月球軌道高能電子急劇增加對(duì)繞月衛(wèi)星和月球表面電位的影響，結(jié)論如下：

(1) 0.1～2 MeV電子急劇增加時(shí)，衛(wèi)星周圍等離子體離子加速、衛(wèi)星表面電位從正幾伏快速下降到負(fù)上千伏的現(xiàn)象通常發(fā)生在穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)和弱行星際磁場(chǎng)條件下，且無(wú)顯著空間環(huán)境擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，地球磁鞘內(nèi)側(cè)及邊界層附近區(qū)域是該類現(xiàn)象的高發(fā)區(qū).離子加速滯后于高能電子增加，離子能量的變化與高能電子通量的時(shí)間演化正相關(guān)，加速前后離子能譜分布不變.

(2) 月球軌道高能電子急劇增加是繞月衛(wèi)星表面電位大幅下降、加速周圍等離子體離子的主要誘因.

(3) 鑒于高能電子急劇增加事件的高發(fā)生率(約125次/年)與等離子體觀測(cè)的局限性，能量電子急劇增加使得衛(wèi)星表面電位大幅下降的發(fā)生率應(yīng)大于實(shí)測(cè)的等離子體離子加速現(xiàn)象的發(fā)生率(25次/年).

(4) 與繞月衛(wèi)星表面充電現(xiàn)象類似，月球附近高能電子的急劇增加可使月球向陽(yáng)側(cè)表面電位大幅下降.

(5)高能電子總流量的時(shí)間積分>1011cm-2時(shí)，繞月衛(wèi)星和月球表面充電電位可達(dá)-1 kV.

(6) 同樣條件下，相比繞月衛(wèi)星，月球表面充電電位達(dá)平衡時(shí)間更短，是繞月衛(wèi)星表面充電電位達(dá)平衡時(shí)間的約1/10.

高能電子急劇增加事件總是發(fā)生在穩(wěn)定太陽(yáng)風(fēng)和弱行星際磁場(chǎng)條件下，且與地磁暴、地磁亞暴沒(méi)有顯著相關(guān)性；月球每次經(jīng)歷磁鞘內(nèi)側(cè)、磁層頂邊界層附近區(qū)域時(shí)，都能夠觀測(cè)到高能電子急劇增加事件的發(fā)生；磁層頂邊界層的厚度超過(guò)1000 km，月球的運(yùn)動(dòng)速度約1 km·s-1，則月球穿越磁層頂邊界層的時(shí)間可能超過(guò)100 min；此外，磁層頂邊界層的磁場(chǎng)強(qiáng)度比等離子體片大.上述事實(shí)表明，可能存在著月球和磁層頂邊界層相互作用的特殊加速區(qū)域，使得磁能轉(zhuǎn)化為粒子動(dòng)能，加速了來(lái)源于太陽(yáng)風(fēng)或磁層內(nèi)部的電子，引起了地球磁鞘內(nèi)側(cè)和邊界層區(qū)域高能電子的急劇增加.

地球磁鞘內(nèi)側(cè)和邊界層區(qū)域是月球和繞月衛(wèi)星表面充電到負(fù)上千伏事件的高發(fā)區(qū)，對(duì)探月活動(dòng)可能產(chǎn)生災(zāi)害性影響(Bedingfield et al., 1996; Koons et al., 1999).月球表面電位大幅下降，可造成當(dāng)?shù)貕m埃等離子體環(huán)境劇烈擾動(dòng)，加劇月表環(huán)境中的靜電塵埃污染(Stubbs et al., 2006, 2007).當(dāng)高能電子急劇增加在月球背陽(yáng)面發(fā)生時(shí)，由于沒(méi)有光電流，月表可能達(dá)到更高的負(fù)電位.

致謝感謝SWIDs 和 HPD工作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了空間環(huán)境探測(cè)儀.感謝探月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)提供了“嫦娥”衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù).感謝ACE 工作團(tuán)隊(duì)和NASA的 CDAWEB提供的空間環(huán)境數(shù)據(jù).

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(本文編輯何燕)

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.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41204128)，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA04077100)資助.

王馨悅，女，1977年生，博士，主要從事空間環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)分析與探測(cè)器物理設(shè)計(jì)工作.E-mail: Orchard@nssc.ac.cn

10.6038/cjg20161001

P353，P354

2015-11-02，2016-09-05收修定稿

王馨悅, 張愛兵, 荊濤等. 2016. 高能電子爆發(fā)與繞月衛(wèi)星表面電位大幅下降的聯(lián)動(dòng)效應(yīng). 地球物理學(xué)報(bào)，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.