月球是距離地球最近的自然天體，也是人類深空探索的第一站。近年來，以我國和美國為代表的世界多個國家都公布了探月計劃，特別是月球極區(qū)撞擊坑的永久陰影區(qū)可能存在水冰分布，成為國際月球探測和研究的熱點(diǎn)。然而由于地形遮擋，極區(qū)撞擊坑附近的空間環(huán)境相對比較復(fù)雜。一方面一部分太陽風(fēng)離子可通過雙極擴(kuò)散進(jìn)入陰影區(qū)內(nèi)，形成迷你等離子尾跡結(jié)構(gòu)，并通過濺射作用造成月面物質(zhì)損失，形成局部氣體外逸層；另一方面，撞擊坑內(nèi)可帶很強(qiáng)負(fù)電，并可能存在塵埃靜電噴泉活動，形成局部塵埃云。

由于尺度小且涉及復(fù)雜邊界，目前關(guān)于極區(qū)撞擊坑附近等離子體環(huán)境研究還存在很多限制。理論模型方面，人們依據(jù)等離子體真空雙極擴(kuò)散理論，建立了撞擊坑附近迷你尾跡的二維自相似擴(kuò)散（Self-similar expansion）模型。然而，該模型需要滿足等離子體準(zhǔn)電中性假設(shè)，這一假設(shè)在撞擊坑背風(fēng)側(cè)離子到達(dá)不了的區(qū)域并不成立，因而不能正確描述該區(qū)域的凈電子分布特征。數(shù)值模擬方面，撞擊坑的尺度一般小于電子回旋半徑，需要用靜電全粒子（Electrostatic particle-in-cell）模型來模擬。靜電全粒子將電子和離子都當(dāng)作粒子來處理，并通過求解線性泊松方程來計算表面充電及空間電勢分布。因此，靜電全粒子的計算效率往往比較低，即使利用大型計算機(jī)，目前三維靜電全粒子模擬仍然只能模擬德拜尺度問題。對于月面撞擊坑，人們現(xiàn)在只實(shí)現(xiàn)了米級撞擊坑周圍等離子體環(huán)境的三維靜電全粒子模擬。而真實(shí)月面存在許多公里級的撞擊坑，它們對月面空間環(huán)境以及水分布的影響更大?？偟膩碚f，現(xiàn)有模型不能對公里級撞擊坑周圍的等離子體環(huán)境進(jìn)行精確分析。

最近，來自中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的謝良海等人提出利用靜電混合粒子（Electrostatic hybrid particle-in-cell）模擬方法，成功解決了這一難題。該方法認(rèn)為撞擊坑附近的電子近似滿足麥克斯韋分布，可以用靜電流體來處理，從而大大減少了計算量。同時，謝良海等人通過求解非線性泊松方程，突破了傳統(tǒng)靜電PIC模型網(wǎng)格要小于德拜尺度的限制，因而可以實(shí)現(xiàn)公里級撞擊坑的三維靜電PIC模擬（如圖1）。另外，謝等人還模擬了不同太陽風(fēng)條件（密度、溫度和速度）、不同撞擊坑（深度和坡度）附近的等離子體環(huán)境，討論了不同因素的影響。

圖1 公里級撞擊坑的三維靜電混合粒子模擬

通過模擬發(fā)現(xiàn)，由于地形遮擋太陽風(fēng)離子不容易進(jìn)入到撞擊坑內(nèi)，在撞擊坑的背風(fēng)側(cè)存在密度空腔，其離子密度可低于0.001 cm^-3。然而，電子以熱運(yùn)動為主，更容易進(jìn)入撞擊坑內(nèi)，造成撞擊坑內(nèi)帶負(fù)電，并在背風(fēng)側(cè)形成凈電子區(qū)（Electron cloud）。同時，該靜電力反過來又會阻礙電子和吸引離子進(jìn)入撞擊坑，使得一部分離子會通過雙極擴(kuò)散進(jìn)入撞擊坑內(nèi)，形成一個離子鋒面（Ion front）。通過計算發(fā)現(xiàn)正常太陽風(fēng)條件下，撞擊坑內(nèi)的電勢可低于-60 V，約是太陽風(fēng)電子溫度的4—5倍；雙極擴(kuò)散的靜電場約為1 mV/m，主要分布在離子鋒面附近。另外，太陽風(fēng)的雙極擴(kuò)散會帶來一個向外傳播的稀疏波，波速近似等于太陽風(fēng)離子聲速。由于太陽風(fēng)流是超聲速的，最終該稀疏波會被限制在一個馬赫錐中。模擬發(fā)現(xiàn)，該馬赫錐可從撞擊坑的上游開始，錐角（Wake cone）大小約為8.8^?。

圖2 撞擊坑周圍離子密度、電子密度以及電勢分布的二維剖面圖

進(jìn)入撞擊坑的太陽風(fēng)離子可以通過濺射作用造成撞擊坑內(nèi)物質(zhì)（如表面水）的損失，因此我們需要計算撞擊坑內(nèi)的太陽風(fēng)通量。通過計算發(fā)現(xiàn)，約有4%的太陽風(fēng)通量可以達(dá)到撞擊坑的坑底，其可造成6.4x10⁸m^-2s^-1的水分子損失率。而在撞擊坑的迎風(fēng)側(cè)，約有18%的太陽風(fēng)通量可打到坑壁，其會造成更顯著的濺射作用。另外，模擬結(jié)果還會受不同因素的影響。比如，更高的太陽風(fēng)溫度會帶來更低的撞擊坑電勢以及更大的馬赫錐角。更深或者更陡的撞擊坑會帶來更低的撞擊坑電勢以及密度更低的等離子體空腔等。這些模擬結(jié)果和理論預(yù)期都是一致的。

該模型給出了月球極區(qū)不同撞擊坑附近的等離子體和電勢分布，定量評估了太陽風(fēng)離子濺射對極區(qū)永久陰影區(qū)造成的水損失率。未來可結(jié)合蒙特卡洛模擬，來定量分析極區(qū)塵埃靜電噴泉活動及其對永久陰影區(qū)水的影響?？偟膩碚f，該模型不僅給出了月球極區(qū)空間環(huán)境的精確空間分布，也為研究月球極區(qū)水含量及其成因機(jī)制提供了新視角。

目前該工作已發(fā)表在空間物理學(xué)期刊JGR: Space Physics上，文章鏈接如下：

Xie, L., Li, L., Wang, J., Zhang, Y., Zhou, B., Feng, Y., et al. (2024). Three-dimensional electrostatic hybrid particle-in-cell simulations of the plasma mini-wake near a lunar polar crater. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2024JA032764. https://doi.org/10.1029/2024JA032764.

（供稿：天氣室）