月球作为最近邻地球的自然天体，已成为世界各国争相探测的重要目标，因而我们需要对其表面环境展开深入研究。月球代表的是一类无大气天体，太阳风可直接与其表面相互作用。这种相互作用一方面可造成月壤晶格损伤，产生纳米铁及水分子，即造成空间风化效应；另一方面也会通过溅射释放一部分月壤成分，为月球气体外逸层提供产生源。因此，研究太阳风与月面相互作用不仅有助于认识月表物质构成和演化历史，同时也对理解月球水和气体的产生和分布特征具有重要意义。
月面太阳风通量是研究太阳风与月面相互作用的关键参数。过去人们认为太阳风可以毫无障碍地打到月表，因而月面太阳风通量可简化为上游太阳风通量与月面太阳天顶角的cos函数。然而，近年来观测证据表明，月球虽然没有像地球一样全球性的偶极磁场，但是有广泛分布的局部磁异常，一些强的磁异常可以阻挡太阳风，从而降低达到月面的太阳风通量，形成微磁层结构。特别是，最近嫦娥四号观测结果表明，在月球背面南半球存在上千公里的磁异常遮挡区（Xie et al, 2022）。因此，要精确预测月面太阳风通量，就必须要考虑磁异常的遮挡效应。
太阳风与月面相互作用根据尺度不同可用不同模型来描述。对于全球性的月球尾迹结构，可用MHD模型来描述；对于100公里左右的月球微磁层，需要用Hall MHD或者Hybrid模型。受制于网格精度，目前Hybrid的不能包含基于观测数据的磁异常球谐函数模型。Hall MHD模型可以兼顾MHD模型的高精度和高计算效率，又能反映离子回旋半径尺度的Hall效应，因而为模拟太阳风与月球全球磁异常的相互作用提供可能。来自中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室的谢良海等人在2015年时就建立了国际上首个包含磁异常信息的月球全球Hall MHD模型，模拟结果可以重现嫦娥二号观测现象。最近谢良海等人又将最新的450阶球谐函数磁异常模型加入该Hall MHD模型，从而使该Hall MHD模型在月面的网格精度提高到20公里。改进后的模型不仅可以较好地重现嫦娥四号观测结果（Xie et al., 2021），同时也可以很好地重现ARTEMIS卫星观测结果（图1），从而证明了该模型在模拟太阳风与月球全球磁异常相互作用方面的正确性和可靠性。
图1 利用月球全球Hall MHD模型模拟得到的月球微磁层三维结构图（左）以及模拟结果与ARTEMIS卫星观测结果的对比（右）
利用该全球Hall MHD模型，谢良海等人模拟分析了月球处于绕地球公转轨道的不同位置时，其表面接收到的太阳风通量分布。发现月面太阳风通量除了随太阳天顶角成cos函数变化外，还会受地球磁层以及局部磁异常的影响。如图2所示，地球磁层会造成在磁鞘区（如月相角为135度和225度）太阳风通量的增强，以及磁尾中太阳风通量的降低（如月相角为180度时）。此外，磁异常会带来一些局部遮挡区，对应微磁层结构。这些遮挡区主要分布在月球背景南半球区，其空间范围会随太阳风入射角发生变化。另外，这些遮挡区在能通量图中更明显（图2b），表明磁异常对太阳风的减速效应比屏蔽效应更显著。这是因为由于微磁层的尺度和离子惯性长度相当，一部分太阳风离子可以穿过磁障碍到达月面，从而造成在一些弱磁异常区太阳风数通量的下降不明显。然而，太阳风离子在穿过磁障碍时的减速是不可避免的，因此即使其能到达月面，其能量还是会明显降低，所以磁异常对太阳风的影响在能通量图中表现更明显。
图2 月面在不同月相时接收到的太阳风通量分布图，其中左栏给出的是太阳风数通量分布图，右栏给出的太阳风能通量分布图，角度表示月球在GSE坐标系中不同位置的月相角
为了把月面太阳风通量分布与月面空间风化以水分布联系起来，还需要评估月面太阳风通量的长期分布特征。谢良海等人通过对月球绕地球一圈不同位置接收到的太阳风通量进行积分，得到了月平均的月面太阳风通量分布图。如图3所示，月面接收的太阳风通量是非均匀的：由于天顶角的影响，月面太阳风通量会随着维度增加而减小；由于地球磁层遮挡效应，月球背面（180度经线附近）接收的太阳风通量要高于正面（0度经线附近）太阳风通量；由于磁异常的影响，在磁异常附近会出现通量洞，并且这种通量洞在能通量分布图中更明显。一般来说，太阳风对月面的风化效应与其数通量及能量都有关系，数通量决定了单位时间单位面积内接收了多少个太阳风粒子，而能量决定了单个太阳风粒子能够植入月壤的深度。因此，能够同时反映数通量和能量的能通量与月面风化联系更加紧密。根据卫星光谱观测结果，月面风化程度随着维度升高而降低，这与太阳风通量在低纬度出更高的模拟结果相符。此外，观测上还发现在一些磁异常区存在明暗条纹，称作月面漩涡（swirl）现象。目前主流观点认为这种漩涡现象是由磁异常遮挡太阳风造成的。由图3可知，谢良海等人模拟得到的通量洞与目前已经发现的月面漩涡区有很好的一一对应关系。这一方面支持了月面漩涡形成的太阳风遮挡说，另一方面也表明谢良海等人的计算结果与观测相符，可用于研究月面风化、太阳风成因水、太阳风溅射等过程。下一步，可通过该月面太阳风通量分布图作为输入参数，结合蒙特卡罗模拟，即可定量评估太阳风植入对月面空间风化以及太阳风溅射对月球气体和水外逸层的影响。
图3 月面太阳风通量月平局分布图，自上而下分别表示月面磁异常、太阳风数通量、太阳风能量分布图，图中方框标出的是目前已经发现的月面漩涡分布区域
总的来说，通过建立先进的全球Hall MHD模型，谢良海等人已能实现不同时刻、不同地理位置月面太阳风通量的高精度预测。该结果不仅可用于研究月面空间风化、太阳风成因水、太阳风溅射等自然过程，也可用于评估人类探测器或宇航服的表面充电及辐射损伤，从而为我国未来探月任务的科学研究和工程安全防护提供科学依据。
相关论文发表如下：
[1].Xie, L., L. Li, H.Z. Wang, B.B. Tang, Y. Zhang, J. D. Wang, Q.Q, Shi, et al. (2023), Global Hall MHD simulations of the solar wind implantation flux on the lunar surface, Planetary Science Journal, 4: 218 (8pp). https://doi.org/10.3847/PSJ/ad06af.
[2].Xie, L.*, Li, L., Zhang, A., et al. (2022). Multipoint Observation of the Solar Wind Interaction with Strong Lunar Magnetic Anomalies by ARTEMIS Spacecraft and Chang'E-4 Rover. Astrophysical Journal Letters, 937:L5 (5pp). https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac903f.
[3].Xie, L., Li, L. *, Zhang, A., Zhang, Y., Cao, J., Wieser, M., et al. (2021). Inside a lunar mini-magnetosphere: First energetic neutral atom measurements on the lunar surface. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093943. https://doi.org/10.1029/2021GL093943.
（供稿：天气室）
