月球是無大氣天體代表，其表面沒有濃密大氣和全球性磁場保護，來自周圍空間的各種輻射粒子可以直接與月表相互作用，并引起月壤物理和化學屬性改變，即太空風化效應。在月球繞地球公轉過程中，大約有四分之三時間在太陽風中，因此太陽風是月球主要的空間粒子源。在太陽風與月壤相互作用過程中，約有0.1%-1%的太陽風質子會直接以質子形式被散射，10%-20%的太陽風質子會在與月壤相互作用的過程中捕獲一個電子以能量中性原子（Energetic Neutral Atom, ENA）的形式被散射，其余大部分太陽風質子會植入到月壤風化層中。這些植入粒子一方面會產(chǎn)生OH/H2O、納米鐵等，是月表風化和水的主要來源之一；另一方面還會將月面的固體成分濺射出來，濺射出的原子被認為是月球氣體外逸層的主要來源之一。因此，研究太陽風-月面相互作用過程，一方面可以幫助我們理解月面太空風化、月球水和氣體的產(chǎn)生和遷移，另一方面也可為探究月表物質、太陽風及地球風的演化歷史提供線索。同時，還可為研究空間等離子體與其他無大氣天體（如水星、小行星、木星冰衛(wèi)星）的相互作用提供重要參考。
圖1 嫦娥四號ASAN觀測的ENA能譜及與以往軌道器觀測能譜對比
太陽風與月表相互作用可分為太陽風散射、濺射、以及植入三個物理過程。由于在月表散射的大部分太陽風是ENA的形式，散射ENA能量特征蘊含了太陽風質子在月壤中傳輸過程的豐富信息，讓我們可推斷太陽風注入深度等重要參數(shù)?？梢哉fENA觀測是我們了解太陽風月面相互作用的實時窗口。然而，以往月球ENA觀測主要來自繞月飛行的軌道器，如月船一號和IBEX衛(wèi)星，其離月面有幾十到上百公里距離、且能量分辨率較低，月面ENA的真實情況是怎樣的仍不清楚。“嫦娥四號”是人類首個著陸在月球背面的探測器，且其上攜帶的中性原子探測儀（ASAN）可實現(xiàn)月表ENA的就位測量，同時相比以往軌道器載荷具有更高的能量分辨能力（如圖1）。來自中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室的博士生仲天華，謝良海副研究員，王赤院士等人與國內外單位合作，在消除了低能量段污染、磁異常遮擋等影響因素后，發(fā)現(xiàn)ASAN測得的ENA能量和太陽風能量具有很好相關性（相關系數(shù)達0.9165）。此外，仲天華等人還分析了ENA能量損失率隨太陽風能量以及太陽天頂角的變化關系，發(fā)現(xiàn)隨著太陽風能量變大或太陽天頂角變小，ENA能量損失率也越高（圖2）。這些都是以往軌道器觀測未能看到的新現(xiàn)象。
圖2 ENA能量損失率和太陽風能量（Esw）及太陽風天頂角（SZA）關系
為了解釋觀測現(xiàn)象，仲天華等人利用SDTrimSP軟件對太陽風與月面相互作用進行了數(shù)值模擬。模擬結果顯示，在太陽風質子與月壤相互作用的過程中，能量損失分為電子損失項和核碰撞損失項兩部分，其中電子損失項起主導作用。而通過電子損失項損失的能量被認為和太陽風質子在月壤中移動的路徑長度成正比。通過數(shù)值模擬，仲天華等人發(fā)現(xiàn)隨著太陽風能量變高或太陽天頂角變小，太陽風質子會有更大的注入路徑長度以及注入深度（圖3），因此會造成更大的能量損失率，從而比較好地解釋了觀測現(xiàn)象。
圖3 SDTrimSP模擬給出的能量電子損失和能量核碰撞損失隨深度分布，以及注入路徑長度和深度隨太陽風入射角和入射能量變化
這些結果預示著由于注入深度和路徑長度的變化，太陽風入射能量及入射角度是影響月表太空風化效應以及月表水產(chǎn)率不可忽略的因素。以往遙感結果發(fā)現(xiàn)月球表面光譜特征有緯度依賴性而被歸因于太陽風數(shù)通量隨緯度的變化造成的。我們的結果說明不同太陽風入射角帶來的不同注入深度也是影響因素之一。此外，月面磁異常附近有光譜特征異常的漩渦結構，曾被歸因于磁異常遮擋太陽風造成數(shù)通量降低。然而，近期相關模擬結果顯示磁異常對太陽風數(shù)通量的屏蔽效應并不明顯，而主要是對太陽風能量造成減速，因此漩渦結構的空間位形與太陽風能通量相關性更好。從實驗室模擬角度，也有研究者發(fā)現(xiàn)羥基產(chǎn)率會隨氫離子注入能量和通量增加而升高。但當通量高過一定臨界值，羥基產(chǎn)率只依賴于注入氫能量而不是通量。這是由于礦物表層給定深度羥基產(chǎn)率會飽和，之后更高的注入能量帶來的更大注入深度才會增加羥基產(chǎn)率?？紤]飽和效應，太陽風注入深度將是影響太空風化過程和月表水產(chǎn)生率的重要因素。
仲天華等人利用嫦娥四號就位ENA觀測數(shù)據(jù)首次揭示了月表ENA能量與太陽風能量及天頂角關系，并結合數(shù)值模擬證明了太陽風入射能量及入射角度對太陽風注入深度的影響，該結果可為月面太空風化及太陽風成因水研究提供重要依據(jù)和約束。同時，該發(fā)現(xiàn)還可被廣泛應用于研究其他無大氣天體（水星，冰衛(wèi)星，小行星等）與周圍空間粒子的相互作用。該研究成果近日發(fā)表在國際期刊The Astrophysical Journal Letters上。
Citation: Zhong, T., Xie, L.*, Zhang, A., Guo, X., Li, L., Wang, W., Wieser, M., Zhang, X., Yang, Y., Tang, H., & Wang, C.* (2024). Dependencies of Energetic Neutral Atoms Energy on the Solar Wind Energy and Solar Zenith Angle Observed by the Chang'E-4 Rover. The Astrophysical Journal Letters, 960(1), L4. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad1687
?。ü└澹禾鞖馐遥?
