相互作用 地質地球所提出月球哨聲翅對微磁層研究的啟示
日球層空間中，超聲速太陽風與星體磁場之間的相互作用是空間物理研究的重要課題之一。在太空探索中，人類已經發(fā)射了多顆深空探測器對太陽系中的行星進行探測，掌握了大量關于行星磁場與太陽風相互作用過程的觀測資料，對“行星磁層”有了較為充分的認識。
太空中存在諸多小尺度的磁場結構。這些小磁場可能存在于一些磁化的小行星上，且它們對小行星的空間環(huán)境起決定性或調制性的作用。伽利略號探測器（Galileo）曾經接近過的一顆名為“Gaspra”的小行星，它是一顆直徑不足20 km卻磁化的小天體，其磁場的空間尺度僅為200 km。由于深空探測器一般很難非常接近這些小天體進行觀測，伽利略號探測器觀測Gaspra時的最近距離為1600 km，因此基于這種遠距離的探測，人們實際上并不清楚這些小磁場結構究竟如何與超聲速太陽風相互作用。人們習慣于思維慣性，認為它們和行星磁層與太陽風的相互作用具有相似的場景。為突出這種相似性，人們將小尺度磁場與太陽風相互作用形成的空間結構稱為“迷你磁層”。
月球表面散落著眾多的小尺度的剩余磁場。這些磁場的月面強度通常為幾十納特，最高可達一千納特。它們的月面水平尺度為數(shù)十或數(shù)百千米不等，而垂直尺度往往只有幾十千米。它們在與太陽風相互作用時，可能形成諸多的“迷你磁層”結構。因此，月球應是研究和探索“迷你磁層”的最佳場所。數(shù)值模擬工作表明，月球剩余磁場與太陽風的相互作用區(qū)一般位于距離月面30 km高度之內。由于月面的高山海拔最高可達11 km，為防止由于衛(wèi)星軌道控制誤差而撞擊月面的情況發(fā)生，通常的繞月探測衛(wèi)星高度一般在30 km之上。這導致月球剩余磁場與太陽風相互作用的實地觀測資料也相當缺乏。
中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室研究員張輝等研究了位于距離月面1個月球半徑高度內（約1738 km）等離子體和電磁場的衛(wèi)星觀測資料，以尋找剖析剩磁與太陽風相互作用的關鍵證據。太陽風與剩磁相互作用過程中會部分反射入射的太陽風，同時會產生各類電磁波動。這兩者均源于相互作用區(qū)，并向外部空間傳播，因而攜帶有剖析這種相互作用的關鍵信息，又稱為遙感診斷這種作用過程的關鍵“癥狀”。結果表明，小尺度磁場與太陽風相互作用過程與行星磁層的場景完全不同。相互作用過程沒有產生激波結構，不具有與“行星磁層”可比擬的結構（圖1）。由于激波是磁層的必要組件，基于類比目的的月球“迷你磁層”的稱號似乎不甚合適。入射的太陽風離子表現(xiàn)為一種“粒子”特性，直接在低高度的相互作用區(qū)被反射。反射表現(xiàn)為鏡面反射特征，說明相互作用區(qū)的垂直電場是主導因素。該電場可源于相互作用區(qū)電子和離子的空間分離或運動解耦。源自相互作用區(qū)的1 Hz的低頻波動，在月球周遭的分布形成“翅”狀結構，這種傳播特性表明該波動是沿磁力線傳播的低頻哨聲波動（圖2）。觀測表明，低頻波動與反射離子在空間分布上不重合，因此，離子并不像傳統(tǒng)文獻提出的是低頻波動的源，而電子流體在剩余磁場外的繞流則是低頻哨聲波的源，且哨聲波的頻率與電子繞流的空間尺度相關（圖1）。
該研究揭示了小尺度磁場與太陽風相互作用的圖景，并可能成為探索小行星磁場的重要診斷工具，即利用哨聲波特性確定小行星磁場的尺度和強度，從而使得該成果具有應用價值。相關研究成果發(fā)表在GRL上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）和國家自然科學基金的資助。
文章插圖
圖1.太陽風與小尺度（～100 km）月球剩余磁場相互作用場景：激波不再形成；入射太陽風離子表現(xiàn)為“粒子”性，被鏡面反射；入射電子表現(xiàn)為流體性，圍繞剩余磁場繞流，從而產生哨聲波，形成哨聲翅；離子與電子的空間分離或運動解耦產生垂直于月面的電場，從而反射入射離子
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圖2.衛(wèi)星觀測到的哨聲翅
【來源：地質與地球物理研究所】
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