张辉等GRL蜿蜒的月球尾迹与太阳风粒子拾取

　　从行星逃离的带电粒子，可以是电离的行星大气，也可以是被星体反射的太阳风，它们都是行星空间环境的重要组分。它们与超声速背景太阳风的相互作用过程和效应是行星空间物理学研究的重要内容。文献中，通常用＂太阳风拾取＂（Solar Wind Pickup）这一术语来描述这个过程：太阳风电场加速这些带电粒子，并最终使得这些粒子随着太阳风一起运动。从动量和能量守恒的角度看，通常认为这一个过程会使得局地的太阳风丢失动量/能量，速度降低，并使得随太阳风一起运动的行星际磁场被挤压从而引起局地磁场的增强。
　　由于月球背景空间环境和过程都极为简单，月球与太阳风的相互场景为检验上述传统观点提供了天然的实验室。中科院地质地球物理研究所张辉等的研究团队详细研究了月面反射的太阳风离子与背景太阳风的相互作用，发现太阳风拾取过程的主要效应并不是使得太阳风减速，而是使得太阳风摆动。这一进展为剖析＂太阳风拾取＂具体物理过程提供了新思路。由于火星、金星和水星均存在对电离大气或星体反射离子的拾起过程，该研究结果对研究这些星体磁尾中磁场和等离子体的非对称性结构具有参考意义。
　　月球是等离子体的良好吸收体，从磁流体的角度看，太阳风冲击月球时，会被月球向阳面吸收，从而在月球背面形成等离子体空腔。月球又近似为绝缘体，行星际磁场可毫无阻碍地穿透月球进入到等离子体空腔中。此后，由于磁流体压强平衡需要，周遭太阳风会逐步回填到等离子体空腔中。回填过程会稀疏周边的行星际磁场，并挤压空腔中部的磁场使其增强。这些全球尺度的等离子体和磁场扰动构成月球＂尾迹＂。无论从等离子体还是磁场看，研究者都没有期待月球尾迹呈现关于太阳风的非对称结构（见图1）。
　　图1 对称尾迹中的等离子体（上图）和磁场强度（下图）分布（Zhang et al., 2014）
　　本研究工作在通过建立与太阳风电场相关的新坐标系来展示这些数据时，发现月球尾迹呈现明显的蜿蜒曲折的非对称性特征（图2）。进一步的磁场和等离子体分析表明，所有参数都表现出与电场相关的不对称分布，尤为重要的是，在电场所指向的尾迹侧翼（图3中每幅图右侧），每隔2个月球半径的长度，这些参量都会被周期性地调制：磁场会周期性地增强和减弱（图3a）；等离子体密度呈现跳跃性的增强（图3b）；等离子体速度间歇性增强（图3c）；等离子体温度周期性升高（图3d）。由于这些参量的空间周期大约为2个月球半径，这与反射粒子回旋周期内的电场漂移尺度相当（见图3白/黑线所示太阳风反射离子运动轨迹），表明了它们之间的因果关系。
　　图2 由磁场强度展示的蜿蜒曲折的月球尾迹结构
　　图3 尾迹中磁场强度、等离子体密度、垂直速度和离子温度的分布。白/黑曲线为向阳面太阳风反射离子的漂移轨迹
　　分析表明，日侧月球磁异常上反射的太阳风离子经历电漂移和大半径回转，可绕过月球星体，并周期性地进入尾翼。尾迹中等离子体温度的周期性升高是反射离子周期性入侵尾迹的直接证据：当反射粒子进入尾迹时，由于回旋相位的差异，可造成局地离子温度的升高（图3d）。在入侵期间，这些反射离子与回填太阳风等离子体通过电场作用在电场方向交换动量（图4）：反射离子沿着（逆着）电场运动时，离子被加速（减速），太阳风背向（沿着）电场方向偏转。这一过程导致回填太阳风速度在电场方向振荡（图3c）。太阳风速度振荡偏转，可周期性地压缩和松弛尾迹中部区域，从而造成磁场（图3a）和密度（图3b）的周期性扰动。这些研究结果都表明电场方向是太阳风拾起过程的主要作用方向，而传统认为的太阳风方向并不重要，这为研究太阳风拾起的具体物理机制提供了新的线索。
　　图4 尾迹中回填太阳风与向阳面反射离子在电场作用下的动量交换过程
　　研究成果发表于国际学术期刊GRL (张辉*，钟俊，张天馨，刘立波，曹晋滨，傅绥燕，魏勇，陈一定. A Meandering Lunar Wake Produced by the Pickup of Reflected Solar Wind Ions[J].Geophysical Research Letters, 2021, 48(24). DOI: 10.1029/2021GL096039)。本研究得到中科院B类先导专项(XDB41000000)和国家自然科学基金(41774175, 41941001, 41731068)等项目的资助。
　　美编：傅士旭
　　校对：覃华清