月球作為最近鄰地球的自然天體，已成為世界各國爭相探測的重要目標，因而我們需要對其表面環(huán)境展開深入研究。月球代表的是一類無大氣天體，太陽風(fēng)可直接與其表面相互作用。這種相互作用一方面可造成月壤晶格損傷，產(chǎn)生納米鐵及水分子，即造成空間風(fēng)化效應(yīng)；另一方面也會通過濺射釋放一部分月壤成分，為月球氣體外逸層提供產(chǎn)生源。因此，研究太陽風(fēng)與月面相互作用不僅有助于認識月表物質(zhì)構(gòu)成和演化歷史，同時也對理解月球水和氣體的產(chǎn)生和分布特征具有重要意義。
月面太陽風(fēng)通量是研究太陽風(fēng)與月面相互作用的關(guān)鍵參數(shù)。過去人們認為太陽風(fēng)可以毫無障礙地打到月表，因而月面太陽風(fēng)通量可簡化為上游太陽風(fēng)通量與月面太陽天頂角的cos函數(shù)。然而，近年來觀測證據(jù)表明，月球雖然沒有像地球一樣全球性的偶極磁場，但是有廣泛分布的局部磁異常，一些強的磁異?？梢宰钃跆栵L(fēng)，從而降低達到月面的太陽風(fēng)通量，形成微磁層結(jié)構(gòu)。特別是，最近嫦娥四號觀測結(jié)果表明，在月球背面南半球存在上千公里的磁異常遮擋區(qū)（Xie et al, 2022）。因此，要精確預(yù)測月面太陽風(fēng)通量，就必須要考慮磁異常的遮擋效應(yīng)。
太陽風(fēng)與月面相互作用根據(jù)尺度不同可用不同模型來描述。對于全球性的月球尾跡結(jié)構(gòu)，可用MHD模型來描述；對于100公里左右的月球微磁層，需要用Hall MHD或者Hybrid模型。受制于網(wǎng)格精度，目前Hybrid的不能包含基于觀測數(shù)據(jù)的磁異常球諧函數(shù)模型。Hall MHD模型可以兼顧MHD模型的高精度和高計算效率，又能反映離子回旋半徑尺度的Hall效應(yīng)，因而為模擬太陽風(fēng)與月球全球磁異常的相互作用提供可能。來自中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點實驗室的謝良海等人在2015年時就建立了國際上首個包含磁異常信息的月球全球Hall MHD模型，模擬結(jié)果可以重現(xiàn)嫦娥二號觀測現(xiàn)象。最近謝良海等人又將最新的450階球諧函數(shù)磁異常模型加入該Hall MHD模型，從而使該Hall MHD模型在月面的網(wǎng)格精度提高到20公里。改進后的模型不僅可以較好地重現(xiàn)嫦娥四號觀測結(jié)果（Xie et al., 2021），同時也可以很好地重現(xiàn)ARTEMIS衛(wèi)星觀測結(jié)果（圖1），從而證明了該模型在模擬太陽風(fēng)與月球全球磁異常相互作用方面的正確性和可靠性。
圖1 利用月球全球Hall MHD模型模擬得到的月球微磁層三維結(jié)構(gòu)圖（左）以及模擬結(jié)果與ARTEMIS衛(wèi)星觀測結(jié)果的對比（右）
利用該全球Hall MHD模型，謝良海等人模擬分析了月球處于繞地球公轉(zhuǎn)軌道的不同位置時，其表面接收到的太陽風(fēng)通量分布。發(fā)現(xiàn)月面太陽風(fēng)通量除了隨太陽天頂角成cos函數(shù)變化外，還會受地球磁層以及局部磁異常的影響。如圖2所示，地球磁層會造成在磁鞘區(qū)（如月相角為135度和225度）太陽風(fēng)通量的增強，以及磁尾中太陽風(fēng)通量的降低（如月相角為180度時）。此外，磁異常會帶來一些局部遮擋區(qū)，對應(yīng)微磁層結(jié)構(gòu)。這些遮擋區(qū)主要分布在月球背景南半球區(qū)，其空間范圍會隨太陽風(fēng)入射角發(fā)生變化。另外，這些遮擋區(qū)在能通量圖中更明顯（圖2b），表明磁異常對太陽風(fēng)的減速效應(yīng)比屏蔽效應(yīng)更顯著。這是因為由于微磁層的尺度和離子慣性長度相當，一部分太陽風(fēng)離子可以穿過磁障礙到達月面，從而造成在一些弱磁異常區(qū)太陽風(fēng)數(shù)通量的下降不明顯。然而，太陽風(fēng)離子在穿過磁障礙時的減速是不可避免的，因此即使其能到達月面，其能量還是會明顯降低，所以磁異常對太陽風(fēng)的影響在能通量圖中表現(xiàn)更明顯。
圖2 月面在不同月相時接收到的太陽風(fēng)通量分布圖，其中左欄給出的是太陽風(fēng)數(shù)通量分布圖，右欄給出的太陽風(fēng)能通量分布圖，角度表示月球在GSE坐標系中不同位置的月相角
為了把月面太陽風(fēng)通量分布與月面空間風(fēng)化以水分布聯(lián)系起來，還需要評估月面太陽風(fēng)通量的長期分布特征。謝良海等人通過對月球繞地球一圈不同位置接收到的太陽風(fēng)通量進行積分，得到了月平均的月面太陽風(fēng)通量分布圖。如圖3所示，月面接收的太陽風(fēng)通量是非均勻的：由于天頂角的影響，月面太陽風(fēng)通量會隨著維度增加而減??；由于地球磁層遮擋效應(yīng)，月球背面（180度經(jīng)線附近）接收的太陽風(fēng)通量要高于正面（0度經(jīng)線附近）太陽風(fēng)通量；由于磁異常的影響，在磁異常附近會出現(xiàn)通量洞，并且這種通量洞在能通量分布圖中更明顯。一般來說，太陽風(fēng)對月面的風(fēng)化效應(yīng)與其數(shù)通量及能量都有關(guān)系，數(shù)通量決定了單位時間單位面積內(nèi)接收了多少個太陽風(fēng)粒子，而能量決定了單個太陽風(fēng)粒子能夠植入月壤的深度。因此，能夠同時反映數(shù)通量和能量的能通量與月面風(fēng)化聯(lián)系更加緊密。根據(jù)衛(wèi)星光譜觀測結(jié)果，月面風(fēng)化程度隨著維度升高而降低，這與太陽風(fēng)通量在低緯度出更高的模擬結(jié)果相符。此外，觀測上還發(fā)現(xiàn)在一些磁異常區(qū)存在明暗條紋，稱作月面漩渦（swirl）現(xiàn)象。目前主流觀點認為這種漩渦現(xiàn)象是由磁異常遮擋太陽風(fēng)造成的。由圖3可知，謝良海等人模擬得到的通量洞與目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的月面漩渦區(qū)有很好的一一對應(yīng)關(guān)系。這一方面支持了月面漩渦形成的太陽風(fēng)遮擋說，另一方面也表明謝良海等人的計算結(jié)果與觀測相符，可用于研究月面風(fēng)化、太陽風(fēng)成因水、太陽風(fēng)濺射等過程。下一步，可通過該月面太陽風(fēng)通量分布圖作為輸入?yún)?shù)，結(jié)合蒙特卡羅模擬，即可定量評估太陽風(fēng)植入對月面空間風(fēng)化以及太陽風(fēng)濺射對月球氣體和水外逸層的影響。
圖3 月面太陽風(fēng)通量月平局分布圖，自上而下分別表示月面磁異常、太陽風(fēng)數(shù)通量、太陽風(fēng)能量分布圖，圖中方框標出的是目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的月面漩渦分布區(qū)域
總的來說，通過建立先進的全球Hall MHD模型，謝良海等人已能實現(xiàn)不同時刻、不同地理位置月面太陽風(fēng)通量的高精度預(yù)測。該結(jié)果不僅可用于研究月面空間風(fēng)化、太陽風(fēng)成因水、太陽風(fēng)濺射等自然過程，也可用于評估人類探測器或宇航服的表面充電及輻射損傷，從而為我國未來探月任務(wù)的科學(xué)研究和工程安全防護提供科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)論文發(fā)表如下：
[1].Xie, L., L. Li, H.Z. Wang, B.B. Tang, Y. Zhang, J. D. Wang, Q.Q, Shi, et al. (2023), Global Hall MHD simulations of the solar wind implantation flux on the lunar surface, Planetary Science Journal, 4: 218 (8pp). https://doi.org/10.3847/PSJ/ad06af.
[2].Xie, L.*, Li, L., Zhang, A., et al. (2022). Multipoint Observation of the Solar Wind Interaction with Strong Lunar Magnetic Anomalies by ARTEMIS Spacecraft and Chang'E-4 Rover. Astrophysical Journal Letters, 937:L5 (5pp). https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac903f.
[3].Xie, L., Li, L. *, Zhang, A., Zhang, Y., Cao, J., Wieser, M., et al. (2021). Inside a lunar mini-magnetosphere: First energetic neutral atom measurements on the lunar surface. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093943. https://doi.org/10.1029/2021GL093943.
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