王馨悅, 張愛兵, 荊濤, H.Reme, 孔令高, 張珅毅， 李春來

1 中國科學院國家空間科學中心， 北京　100190 2 天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室， 北京　100190 3 法國國家科研中心, 法國 圖盧茲　31028 4 中國科學院國家天文臺, 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)動效應

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4

1 中國科學院國家空間科學中心， 北京100190 2 天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室， 北京100190 3 法國國家科研中心, 法國 圖盧茲31028 4 中國科學院國家天文臺, 北京100012

“嫦娥”一號、二號繞月飛行經(jīng)歷地球磁尾邊界層區(qū)域時，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)計研究表明，這類現(xiàn)象發(fā)生在穩(wěn)定太陽風和弱行星際磁場條件下，且無顯著空間環(huán)境擾動事件發(fā)生時，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間演化正相關(guān)，地球磁鞘內(nèi)側(cè)或邊界層過渡區(qū)域是該類現(xiàn)象的高發(fā)區(qū)，離子能量增加時衛(wèi)星表面電位大幅下降可達負幾千伏.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,繞月衛(wèi)星和月球表面充電電位可達負上千伏；月球充電到大的負電位的時間僅為衛(wèi)星充電時間的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)生率應大于實測等離子體離子加速現(xiàn)象的發(fā)生率(～25次/年).

嫦娥一號; 嫦娥二號；月球；表面充電；高能電子急劇增加事件；等離子體

1　引言

月球沒有內(nèi)稟磁場和稠密的大氣層，每月約4天時間，月球穿越地球磁尾，其余時間則位于太陽風中.帶電粒子和太陽光輻射直接轟擊月球，使得月球表面帶電.等離子體、太陽光、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)的觀測表明(Halekas et al., 2005, 2008)，通常情況下，月球表面向陽側(cè)電位約為+10～+20 V，背陽側(cè)電位為-100 V左右；在地球等離子體片區(qū)域，月球背陽側(cè)電位可達負上千伏.Halekas等(2008，2009)利用LP ER實測的電子能譜模擬了太陽質(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”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)定太陽風、弱行星際磁場(Interplanetary Magnetic Field, IMF)、空間環(huán)境弱擾動條件下,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)星表面充電電位達負上千伏的誘因(Wang et al.，2012；王馨悅等，2012).“嫦娥二號”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，0.1～2 MeV電子峰值通量比背景電子至少增長了一個數(shù)量級，且持續(xù)時間超過1 min.已有觀測和研究表明，能量電子急劇增長事件可能出現(xiàn)在太陽風、地球磁尾、磁鞘及邊界層過渡區(qū)等空間環(huán)境區(qū)域.太陽風中的高能電子可能來源于弓激波上行粒子或“超級暈狀(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自于弓激波上行粒子，持續(xù)時間較長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電位現(xiàn)象的機制，本文統(tǒng)計研究了“嫦娥”一號、二號衛(wèi)星繞月飛行時，在空間環(huán)境相對寧靜的219天內(nèi)，觀測到的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”實測高能電子數(shù)據(jù)擬合滿足冪律譜分布的能量電子能譜與實測等離子體能譜作為輸入條件，模擬BEE時繞月衛(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、進一步開展月球科學探測提供參考.

2　“嫦娥”衛(wèi)星空間環(huán)境探測儀

“嫦娥一號”、“二號”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)境探測儀由兩臺太陽風離子探測器(Solar Wind Ion Detectors，SWIDs)和一臺太陽高能粒子探測器(High Energetic Particles Detector，HPD)組成，用于探測月球軌道帶電粒子環(huán)境(歐陽自遠, 2010).“嫦娥一號”和“二號”空間環(huán)境探測儀具有相同的技術(shù)指標和安裝位置.SWIDs用于觀測等離子體環(huán)境，主要觀測對象是太陽風離子.HPD用于監(jiān)測太陽質(zhì)子事件，主要觀測對象是高能電子、離子.SWIDs和HPD由中國科學院國家空間科學中心(前空間科學與應用研究中心)空間環(huán)境探測研究室研制.

SWIDs是一對(SWID-A/B)采用相同設計的探測儀器.探測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.SWIDs各有12個具備相同探測能力的極角，稱為極角1～12，每個極角有48個能量通道，標號為1～48(Kong et al.,2011; Wang et al., 2012).SWIDs的技術(shù)指標如表1.衛(wèi)星發(fā)射前，SWIDs利用法國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試驗.SWIDs安裝在衛(wèi)星頂角處指向天空，SWID-A和B的視場幾乎相互垂直.衛(wèi)星繞月飛行時，SWID-A和B的探測視場分別垂直和平行于衛(wèi)星前進方向.

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

HPD的傳感器由3片半導體硅探測器組成，探測器視場角為60°，粒子進入傳感器后，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，視場方向為朝天向.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Li、B、Be離子.加速器定標試驗分別在中國原子能科學研究院核物理所及中國科學院近代物理所完成.放射源試驗和模擬信號源試驗在中國科學院國家空間科學中心完成.

3　探測結(jié)果

“嫦娥一號”和“嫦娥二號”繞月飛行的2007年11月—2008年2月與2010年11月—2011年2月，在無顯著空間環(huán)境擾動事件發(fā)生時，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)計研究.結(jié)果表明，2007年11月26日—2008年2月5日 ，“嫦娥一號”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 2.4×104(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1).其中有4天月球位于太陽風，共發(fā)現(xiàn)5次持續(xù)時間僅數(shù)分鐘的高能電子通量增加.其他11天月球位于地球磁尾、磁鞘或邊界層過渡區(qū)域，觀測到的電子通量增加事件次數(shù)達36次，持續(xù)時間從幾分鐘到近10小時.2010年10月3日—2011年2月28日，“嫦娥二號”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0.9×104(cm-2·sr-1·s-1·MeV-1).其中2天(1次/天)月球位于太陽風，電子通量持續(xù)增加時間超過12小時.其余15天月球位于地球磁尾、磁鞘內(nèi)側(cè)或磁層頂邊界層過渡區(qū)域，觀測到的電子通量增加事件次數(shù)約32次，持續(xù)時間從幾分鐘到近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，都會在磁鞘內(nèi)側(cè)或磁層頂邊界層過渡區(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)計了BEE期間衛(wèi)星在月心坐標的位置，發(fā)現(xiàn)約70%的BEE事件發(fā)生在月球向陽側(cè).SWIDs對等離子體離子的觀測顯示了當?shù)氐入x子體區(qū)域的變化，當衛(wèi)星從太陽風穿越到磁尾時，可以觀測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　太陽風、磁鞘內(nèi)側(cè)與磁層頂邊界層過渡區(qū)域和磁尾區(qū)域高能電子急劇增長事件的年發(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)生的時段則處于太陽活動水平較低的2007年11月到2011年2月之間，穩(wěn)定太陽風和弱行星際磁場(<10 nT)條件下，且空間環(huán)境較為寧靜，無地磁暴發(fā)生.SWIDs與HPD的探測視場如圖2.BEE發(fā)生后，大量電子累積在衛(wèi)星表面，可使衛(wèi)星表面帶負電；根據(jù)圖2中探測器視場的幾何關(guān)系，進入SWIDs視場的離子運動方向指向衛(wèi)星，當衛(wèi)星表面電位下降到大的負電位時，如圖7所示，向衛(wèi)星運動的離子將被星表電場加速，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), 當大的充負電事件發(fā)生時,衛(wèi)星表面充電電位可估算為U≈-|ΔE/q|(對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、二號分別發(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)動現(xiàn)象發(fā)生、繞月衛(wèi)星位于月球向陽面時， SWIDs和HPD的探測視場示意圖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視場時，且電子通量增加的持續(xù)時間超過了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SWIDs沒有數(shù)據(jù)下傳；由于太陽風、磁鞘附近離子分布具有很強的方向性，約20%的BEE發(fā)生時，離子運動方向恰好位于SWIDs視場外；約18%的BEE中，衛(wèi)星經(jīng)歷了離子密度低于SWIDs計數(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入SWIDs視場前發(fā)生, 無法判斷是否存在等離子體離子加速的過程；另外約28%的BEE中，高能電子通量增加的持續(xù)時間很短，僅幾分鐘電子通量即下降到背景值.

圖3—4是“嫦娥一號”于2007年12月22日、“嫦娥二號”于2010年10月20日在月球向陽側(cè)觀測到的兩次典型0.1～2.0 MeV 高能電子急劇增加與等離子體離子加速聯(lián)動現(xiàn)象.F1，F(xiàn)2分別對應了“嫦娥”一號、二號觀測的高能電子通量達到峰值的時間點.F1時刻月球坐標(-50RE, 25RE, 4.7RE)GSE，太陽入射角(太陽光和HPD探測視場中軸線夾角)約45°； F2時刻月球坐標(-44RE, 39RE, -2.8RE)GSE，太陽入射角約50°.SWIDs對衛(wèi)星周圍等離子體的觀測表明F1，F(xiàn)2時刻衛(wèi)星位于磁鞘內(nèi)側(cè)磁層頂邊界層附近，月球從太陽風向磁尾運動的過程中.F1前后，行星際磁場IMF |B|為2.5～5 nT，太陽風速度570～660 km·s-1,溫度7.4×104～1.9×105K.F2前后，行星際磁場IMF |B|為 5.5～6.2 nT，太陽風速度425～433 km·s-1，溫度 4.1×104～1.4×105K.SWIDs和ACE衛(wèi)星的觀測結(jié)果表明，兩次事件均具有相對穩(wěn)定的太陽風條件和弱的IMF(|B|<10 nT)，無明顯空間環(huán)境擾動.

圖3　“嫦娥一號”觀測的高能電子急劇增加和等離子體離子加速的聯(lián)動現(xiàn)象(a) SWID-A觀測的離子能譜；(b) SWID-B觀測的離子能譜；(c) HPD觀測的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對應了加速前的離子能量，T2對應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”觀測的高能電子急劇增加和等離子體離子加速的聯(lián)動現(xiàn)象(a) SWID-A觀測的離子能譜； (b) SWID-B觀測的離子能譜； (c) HPD觀測的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對應了加速前的離子能量，T4對應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時刻 (UT 05∶09) 電子通量達約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)時間約27 min.圖4中，F(xiàn)2時刻(UT 14∶38) 電子通量達約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，白色圓點表示最大能量平均值，結(jié)果表明，T2時刻衛(wèi)星表面電位最大降幅為-5.4 kV，T4時刻衛(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)域離子流量遠低于太陽風離子流量，使得觀測計數(shù)率低于SWIDs觀測下限，各區(qū)域的典型離子能譜分布的觀測特征如圖6.與太陽風相比，磁鞘離子溫度顯著上升，能譜分布觀測特征則與太陽風相似，各向異性特征顯著；磁層頂邊界層過渡區(qū)域附近離子的觀測特征與太陽風、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.根據(jù)SWIDs實測等離子體分布特征隨時間的變化，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動過程中；F1與F2對應時刻太陽入射角45°～50°，偏離太陽風入射方向；加速事件前后離子能譜分布具較強的各向同性特征，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

在月球向陽面，空間環(huán)境相對較為平靜、BEE發(fā)生時，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，模式的計算流程為假定衛(wèi)星表面電勢為U，通過改變U值，計算表面凈電流，凈電流約0時的U就是表面平衡電位.

圖6　2010-10-16—2010-10-21月球穿越太陽風、遭遇磁鞘、磁層頂邊界層過渡區(qū)域，進入磁尾過程中，“嫦娥二號”SWID-B觀測的離子能譜(a) 太陽風； (b) 磁鞘； (c) 磁層頂邊界層過渡區(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.月球特征尺寸遠大于德拜半徑，建模時考慮薄鞘限制.對于薄鞘限制，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自于SWIDs的實測結(jié)果.已有研究認為太陽風或磁層中偶發(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BEE時高能電子滿足冪律譜分布，用HPD的觀測結(jié)果，反演獲得BEE時，>2 eV～2 MeV高能電子的時間積分譜.

表面充電的總時間可以累加每一步的充電時間估算得到，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，月球看作一個無限大的平面，采用平板電容的假設.

4.2模擬與分析

衛(wèi)星經(jīng)過月球向陽面時，SWIDs和HPD指向天空，它們的探測平面均位于衛(wèi)星向陽側(cè)，模擬表明，通常在圖2情況下，電流平衡時，月球向陽側(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，與風云衛(wèi)星和LP ER的觀測結(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，為了簡化計算過程，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間演化的復雜過程，僅反演了>2 eV～2 MeV高能電子的時間積分譜(從高能電子通量增加開始到等離子體能量增加達到峰值為止)作為輸入?yún)?shù)，并假設充負電過程的發(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電荷后開始.模擬選擇衛(wèi)星位于月球向陽側(cè)和月球光照區(qū)，初始表面電位均設置為+15 V.

模擬表明，太陽風速度約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間積分>1011cm-2時，繞月衛(wèi)星和月球表面電位可能達-1 kV.對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)星表面電流平衡時間約0.002 s，月球表面電流平衡時間約0.0002 s.對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)星表面電流平衡時間約0.009 s，月球表面電流平衡時間約0.0006 s.繞月衛(wèi)星表面充電電位的模擬計算結(jié)果與圖3—4的實測結(jié)果基本一致.圖8—9模擬了“嫦娥一號”2007年12月22日F1時刻0.1～2 MeV電子急劇增加通量達峰值后，高能電子總積分流量達2.0×1014cm-2時，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間，圖8—9中，表面收集電流約0 μA時，衛(wèi)星和月球表面處于電流平衡狀態(tài)，此時的表面電勢即為最大表面充電電位.上述結(jié)果表明，空間環(huán)境相對寧靜時期，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期也可能充電到大的負電位；同一條件下，月球表面充電電位達平衡時間僅為衛(wèi)星表面充電電位平衡時間的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，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，衛(wèi)星的單位電容比月球大約10倍，使得月球表面充電時間遠遠小于衛(wèi)星充電時間.

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、二號衛(wèi)星對月球附近等離子體和高能電子的觀測結(jié)果，統(tǒng)計研究了0.1～2 MeV電子急劇增加時，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負上千伏的現(xiàn)象.采用電流平衡法，建立月球向陽側(cè)光照區(qū)表面、衛(wèi)星處于該區(qū)域時光照面的表面充電模型，結(jié)合“嫦娥”一號、二號對月球附近帶電粒子環(huán)境的實測結(jié)果，模擬了空間環(huán)境相對寧靜時，月球軌道高能電子急劇增加對繞月衛(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，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上千伏的現(xiàn)象通常發(fā)生在穩(wěn)定太陽風和弱行星際磁場條件下，且無顯著空間環(huán)境擾動發(fā)生時，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)生率應大于實測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側(cè)表面電位大幅下降.

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

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

高能電子急劇增加事件總是發(fā)生在穩(wěn)定太陽風和弱行星際磁場條件下，且與地磁暴、地磁亞暴沒有顯著相關(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，都能夠觀測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1000 km，月球的運動速度約1 km·s-1，則月球穿越磁層頂邊界層的時間可能超過100 min；此外，磁層頂邊界層的磁場強度比等離子體片大.上述事實表明，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)化為粒子動能，加速了來源于太陽風或磁層內(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)星表面充電到負上千伏事件的高發(fā)區(qū)，對探月活動可能產(chǎn)生災害性影響(Bedingfield et al., 1996; Koons et al., 1999).月球表面電位大幅下降，可造成當?shù)貕m埃等離子體環(huán)境劇烈擾動，加劇月表環(huán)境中的靜電塵埃污染(Stubbs et al., 2006, 2007).當高能電子急劇增加在月球背陽面發(fā)生時，由于沒有光電流，月表可能達到更高的負電位.

致謝感謝SWIDs 和 HPD工作團隊設計生產(chǎn)了空間環(huán)境探測儀.感謝探月工程地面應用系統(tǒng)提供了“嫦娥”衛(wèi)星科學數(shù)據(jù).感謝ACE 工作團隊和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.

國家自然科學基金(41204128)，中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA04077100)資助.

王馨悅，女，1977年生，博士，主要從事空間環(huán)境探測數(shù)據(jù)分析與探測器物理設計工作.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)動效應. 地球物理學報，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.