月球是無(wú)大氣天體代表，其表面沒(méi)有濃密大氣和全球性磁場(chǎng)保護(hù)，來(lái)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(xué)屬性改變，即太空風(fēng)化效應(yīng)。在月球繞地球公轉(zhuǎn)過(guò)程中，大約有四分之三時(shí)間在太陽(yáng)風(fēng)中，因此太陽(yáng)風(fēng)是月球主要的空間粒子源。在太陽(yáng)風(fēng)與月壤相互作用過(guò)程中，約有0.1%-1%的太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子會(huì)直接以質(zhì)子形式被散射，10%-20%的太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子會(huì)在與月壤相互作用的過(guò)程中捕獲一個(gè)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(yáng)風(fēng)質(zhì)子會(huì)植入到月壤風(fēng)化層中。這些植入粒子一方面會(huì)產(chǎn)生OH/H2O、納米鐵等，是月表風(fēng)化和水的主要來(lái)源之一；另一方面還會(huì)將月面的固體成分濺射出來(lái)，濺射出的原子被認(rèn)為是月球氣體外逸層的主要來(lái)源之一。因此，研究太陽(yáng)風(fēng)-月面相互作用過(guò)程，一方面可以幫助我們理解月面太空風(fēng)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(zhì)、太陽(yáng)風(fēng)及地球風(fēng)的演化歷史提供線索。同時(shí)，還可為研究空間等離子體與其他無(wú)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(hào)ASAN觀測(cè)的ENA能譜及與以往軌道器觀測(cè)能譜對(duì)比
太陽(yáng)風(fēng)與月表相互作用可分為太陽(yáng)風(fēng)散射、濺射、以及植入三個(gè)物理過(guò)程。由于在月表散射的大部分太陽(yáng)風(fēng)是ENA的形式，散射ENA能量特征蘊(yùn)含了太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子在月壤中傳輸過(guò)程的豐富信息，讓我們可推斷太陽(yáng)風(fēng)注入深度等重要參數(shù)?？梢哉f(shuō)ENA觀測(cè)是我們了解太陽(yáng)風(fēng)月面相互作用的實(shí)時(shí)窗口。然而，以往月球ENA觀測(cè)主要來(lái)自繞月飛行的軌道器，如月船一號(hào)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(shí)情況是怎樣的仍不清楚。“嫦娥四號(hào)”是人類首個(gè)著陸在月球背面的探測(cè)器，且其上攜帶的中性原子探測(cè)儀（ASAN）可實(shí)現(xiàn)月表ENA的就位測(cè)量，同時(shí)相比以往軌道器載荷具有更高的能量分辨能力（如圖1）。來(lái)自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生仲天華，謝良海副研究員，王赤院士等人與國(guó)內(nèi)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(cè)得的ENA能量和太陽(yáng)風(fēng)能量具有很好相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9165）。此外，仲天華等人還分析了ENA能量損失率隨太陽(yáng)風(fēng)能量以及太陽(yáng)天頂角的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著太陽(yáng)風(fēng)能量變大或太陽(yáng)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(cè)未能看到的新現(xiàn)象。
圖2 ENA能量損失率和太陽(yáng)風(fēng)能量（Esw）及太陽(yáng)風(fēng)天頂角（SZA）關(guān)系
為了解釋觀測(cè)現(xiàn)象，仲天華等人利用SDTrimSP軟件對(duì)太陽(yáng)風(fēng)與月面相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，在太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子與月壤相互作用的過(guò)程中，能量損失分為電子損失項(xiàng)和核碰撞損失項(xiàng)兩部分，其中電子損失項(xiàng)起主導(dǎo)作用。而通過(guò)電子損失項(xiàng)損失的能量被認(rèn)為和太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子在月壤中移動(dòng)的路徑長(zhǎng)度成正比。通過(guò)數(shù)值模擬，仲天華等人發(fā)現(xiàn)隨著太陽(yáng)風(fēng)能量變高或太陽(yáng)天頂角變小，太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子會(huì)有更大的注入路徑長(zhǎng)度以及注入深度（圖3），因此會(huì)造成更大的能量損失率，從而比較好地解釋了觀測(cè)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(zhǎng)度和深度隨太陽(yáng)風(fēng)入射角和入射能量變化
這些結(jié)果預(yù)示著由于注入深度和路徑長(zhǎng)度的變化，太陽(yáng)風(fēng)入射能量及入射角度是影響月表太空風(fēng)化效應(yīng)以及月表水產(chǎn)率不可忽略的因素。以往遙感結(jié)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(yáng)風(fēng)數(shù)通量隨緯度的變化造成的。我們的結(jié)果說(shuō)明不同太陽(yáng)風(fēng)入射角帶來(lái)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(jié)構(gòu)，曾被歸因于磁異常遮擋太陽(yáng)風(fēng)造成數(shù)通量降低。然而，近期相關(guān)模擬結(jié)果顯示磁異常對(duì)太陽(yáng)風(fēng)數(shù)通量的屏蔽效應(yīng)并不明顯，而主要是對(duì)太陽(yáng)風(fēng)能量造成減速，因此漩渦結(jié)構(gòu)的空間位形與太陽(yáng)風(fēng)能通量相關(guān)性更好。從實(shí)驗(yàn)室模擬角度，也有研究者發(fā)現(xiàn)羥基產(chǎn)率會(huì)隨氫離子注入能量和通量增加而升高。但當(dāng)通量高過(guò)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(huì)飽和，之后更高的注入能量帶來(lái)的更大注入深度才會(huì)增加羥基產(chǎn)率?？紤]飽和效應(yīng)，太陽(yáng)風(fēng)注入深度將是影響太空風(fēng)化過(guò)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(hào)就位ENA觀測(cè)數(shù)據(jù)首次揭示了月表ENA能量與太陽(yáng)風(fēng)能量及天頂角關(guān)系，并結(jié)合數(shù)值模擬證明了太陽(yáng)風(fēng)入射能量及入射角度對(duì)太陽(yáng)風(fēng)注入深度的影響，該結(jié)果可為月面太空風(fēng)化及太陽(yáng)風(fēng)成因水研究提供重要依據(jù)和約束。同時(shí)，該發(fā)現(xiàn)還可被廣泛應(yīng)用于研究其他無(wú)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(guó)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
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