科学家提出了太阳风月球相互作用的关键问题

作为距离地球最近的天体，月球的空间环境与地球不同，主要是因为它缺乏重要的大气层/电离层和全球磁场。从全球角度来看，太阳风可以轰击其表面，土壤中积累的太阳风物质记录了太阳系的演化。许多小规模的剩余磁场散布在月球表面，正如行星磁场保护行星一样，它们被认为可以转移入射的太阳风并屏蔽下方的当地月球表面，从而产生独特的当地表面环境，这对月球的运行至关重要。人类/设施的活动，从而提供独特的着陆点来探索月球漩涡和残余磁场的起源。然而，有证据表明，这种局部相互作用也可能与行星上的相互作用场景不同，并且由于缺乏对近月空间或月球表面的现场观测，具体过程尚未被揭示。月球的全球和局部太阳风相互作用代表了深空天体与星风的两种特征相互作用，即非磁化天体和小尺度磁化天体的相互作用，这两种相互作用都可能发生在小行星和火星上。这些深空天体对于人类或人造卫星来说很难或不可能到达，也很难测量，而对月球的探索可以揭示这些天体上星风相互作用的奥秘。近日，中国科学院和北京航空航天大学的学者在《太空：科学与技术》杂志上发表了一篇综述文章，综述了太阳风-月球相互作用的关键问题。

首先，作者介绍了月球的背景环境和特性(如图1所示)。太阳以喷射粒子和辐射两种形式不断向行星际空间释放能量，搅动整个太阳系的空间环境。太阳喷射出磁化等离子体流，这是由带相反电荷的粒子(即离子和电子)组成的太阳风。质子和电子之间的质量差异巨大，这使得太阳风成为一种具有多尺度的复杂物质。月球太阳风相互作用由多个等离子体尺度的过程组成，从而导致月球空间环境和太阳风相互作用的复杂性。太阳还发出宽频率范围的辐射。大约一半的太阳辐射能量被限制在可见光波段内;然而，其他辐射对于各种太阳系物体周围的空间环境至关重要。月球本身的性质也会影响太阳风的相互作用，主要是导电性和磁性，涉及到空间物理、地球物理甚至地质学的跨学科研究。至于内部结构，有证据表明月球作为一个整体并不是一个良好的导体。至于月球磁场，人们认为月球不存在全球固有磁场，因此不存在月球磁层;但许多小规模的残余磁场散布在月球表面。至于月球大气层，存在非常稀薄的大气层，并且没有明显的月球电离层。至于月球表面，月球内部覆盖着风化层，最外层的深度可达数十公里。月球尘埃是讨论月球表面环境时经常出现的另一个术语，其动力学由电场和磁场控制。

然后，作者提出了太阳风-月球相互作用的关键问题。

(1)月球微型磁层是否存在?

1.1. 微型磁层与巨大的行星磁层结构相同吗?特别是，它前面有弓形冲击吗?为什么?

1.2. 月球磁异常如何影响当地磁结构内外的太阳风电子和离子的运动?这些影响(波和粒子)如何在异常区域之外的空间中传播?

1.3. 月球漩涡是如何形成的?它们的形成是由于不同的太阳风植入还是由于细小土壤颗粒的局部迁移?为什么月球漩涡和磁异常之间没有一一对应的关系?

1.4. 与表面没有剩磁的情况相比，磁异常下的月壤颗粒粒度是否异常?

1.5. 月球表面土壤中太阳风物质和水(羟基)的积累有什么区别?这种差异与月球表面附近磁场的几何形状或大小有什么关系?

(2) 非导电月球风化层和纯导电太阳风在月表边界如何耦合?

2.1. 关键物理参数，包括电子(来自太阳风或光电子)、离子(来自太阳风或散射/反射离子)和中性子(从月球表面溅射)的分布函数以及电场和磁场如何变化，随着近月空间的高度、太阳天顶角和太阳条件(太阳风和太阳 EUV 辐射)而变化?

2.2. 在未磁化的月球表面上方是否存在一个边界层，其中动态等离子体物理学占主导地位并且 IMF 稍微堆积?

2.3. 从月球表面喷出的月壤颗粒是如何成为太空尘埃的呢?

2.4. 是否有任何证据表明月球谷物在地形复杂的地区进行过局部运输?

2.5. 月球尘埃如何到达数百公里的高度?

2.6。为什么在月球漫长的演化历史中，表层土壤中最细小的颗粒没有被消耗殆尽?毕竟，月球尘埃并不是一种非常罕见的现象，这表明月球表面始终存在着细小的颗粒。这些优质谷物的无尽来源是什么?这些最细小的土粒在附近的空间和地面之间是否存在循环过程?

(3)我们真的了解月球本身的磁场吗?

3.1. 月球上是否存在微弱的全球固有磁场?

3.2. 月球表面是否存在局部感应磁场?

3.3. 我们怎样才能获得月球本身磁场的真实图呢?

3.4. 月球磁异常有多少种成因?

3.5. 相似地质时代形成的磁异常在磁动量的强度或方向上是否有特殊的分布模式?

3.6. 如何确定月球磁异常的形成年龄?

为了回答这些问题，需要在近月空间和地面进行广泛的测量。

最后，作者回顾了以往的探月任务，并提出了未来探月任务的构想。尽管现代卫星任务已经配备了高质量的仪器，但详细的空间物理结构/过程尚未完全了解，因为大多数卫星不会下降到低至 30 公里的高度，以避免撞击月球表面或月球表面。山(图3)。作者创造了一个新术语“近月空间”来指代月球周围高度低于30公里的空间。未来，近月空间和月球地面将成为月球空间任务的热门目标区域。低空绕月飞行器在近月空间或载人或无人月球车在月球表面长距离轨迹进行广泛的空间物理和地质探索，可以回答上述关键问题。磁异常表面是最有价值的候选着陆点，可以进行空间物理、地球物理和地质学的跨学科研究，如月球漩涡的起源、剩余磁场(磁异常)的起源、以及月球尘埃扬起的机制，寻找太阳系演化的证据，甚至寻找适合人类居住的地方。