低频哨声波——小行星磁场的遥感工具

日球层中的各类天体都浸渍在太阳喷射出的太阳风中。这些超声速的太阳风连续不断地刻画这些天体表面的自然环境，驱动自然环境的长期演化。比如，太阳风可使天体表面空间风化，改变天体的光学性质或化学性质；太阳风也可以轰击星体的电离大气，加剧星体的大气逃逸过程。然而，当天体上存在磁场时，太阳风的作用可以被改变。

磁场可以阻碍带电粒子的长驱直入，磁场往往可以将入射太阳风屏蔽在天体表面之外，因此磁化天体的太阳风空间风化效应通常都会被减弱甚至消失。另外，星体磁场在太阳风的轰击下，通常可以在星体周边形成磁场结构。这些磁场结构，既可能降低电离大气的逃逸效率，从而保护星体大气，也可能加剧大气逃逸，这取决于磁场结构内部的复杂物理过程。超声速太阳风与星体磁场之间的相互作用正是空间物理学研究的重要课题之一。

事实上，太阳系的行星上，都存在着行星尺度的磁场。这些磁场或由星体自身的发电机系统驱动，或在运动的行星际磁场中感生。这些磁场的空间尺度巨大。在与太阳风相互作用的过程中，在星体向阳面或者侧翼，行星磁场可以延伸至数十倍于星体半径的空间，在背阳面则可拖曳出数百倍于星体尺度的长尾巴。这些磁场所覆盖的区域，往往被称为“行星磁层”。

在过去60多年的太空探索中，人类发射了多颗深空探测器对太阳系中的行星磁层进行了广泛的探测，掌握了大量的观测资料，对行星周边的磁场结构和物理过程有了较为充分的认识。

小行星上也可能存在磁场，然而，对小行星磁场的测量则相当困难。我们既没有探测器在某颗小行星周边长期近距离绕飞测量，也未实现登陆小行星对磁场进行就位测量。目前我们仅有一些探测器远距离飞掠小行星时的探测资料。

比如，上世纪90年代，伽利略号探测器（Galileo）曾经接近过一颗名为Gaspra的小行星，并在1500千米的距离上探测到这颗小行星对行星际磁场的扰动，并推测该小行星的磁场特性。这是一颗直径不足20千米但磁化的小天体，其磁场的空间尺度也仅为200千米。由于测量距离遥远，伽利略号探测器的探测资料并不能给我们提供Gaspra的磁场细节，更无法给出这样小尺度的磁场结构究竟如何与超声速太阳风相互作用的详细图景。人们习惯于思维惯性，认为它们和行星磁层与太阳风的相互作用具有相似的场景。为突出这种相似性，人们把小尺度磁场与太阳风相互作用形成的空间结构称为“迷你磁层”。

众所周知，月球表面散落着众多的小尺度的剩余磁场。这些磁场的月面强度通常为几十纳特，最高可达一千纳特。它们的月面水平尺度为数十或数百千米不等，而垂直尺度往往只有几十千米。它们在与太阳风相互作用时，可能形成诸多的“迷你磁层”结构。诸多的数值模拟工作表明，月球剩余磁场与太阳风的相互作用区一般位于距离月面30千米高度之内。再加上我们已经拥有诸多携带等离子体和电磁场探测设备的卫星在月面附近长期绕飞测量，月球本应是研究和探索“迷你磁层”的最好的场所。

然而，由于月面的高山海拔最高可达11千米，为防止由于卫星轨道控制误差而撞击月面的情况发生，通常的绕月探测卫星高度一般都在30千米之上。比如，中国的嫦娥卫星（Chang'e）的常规探测高度在120千米，美国的月球探矿者号飞船（Lunar Prospector）主要观测高度在60-80千米。它们都没有深入到距离月面30千米之内的迷你磁层区域，这造成月球剩余磁场与太阳风相互作用的实地观测资料也相当缺乏。

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室张辉和魏勇研究员等，详细研究了位于距离月面1个月球半径（约1738千米）高度内等离子体和电磁场卫星探测资料，以寻找剖析剩磁与太阳风相互作用的关键证据。这一高度范围仍然位于月球“迷你磁层”之外，好在太阳风与剩磁相互作用过程所反射的太阳风离子和所激发的电磁波动可以传播到此区域，它们携带着相互作用的关键信息，成为遥感太阳风-剩磁相互作用的关键物理参数。

月球剩磁上的太阳风离子反射，是月球空间物理研究早就关注的重要问题之一。其之所以受到关注，很大原因仍然是从类比的角度出发，太阳风离子反射是“行星磁层”弓激波外的常见现象。对于月球而言，这些反射离子会对月球周遭空间环境有显著影响。比如，这些反射离子会被周边的超声速太阳风捕获，从而降低太阳风速度，引起太阳风中行星际磁场的异常增强。由于这些反射离子总是太阳风电场的作用下偏转到月球的一侧，从而造成月球周边磁场扰动的显著不对称性。正如我国嫦娥卫星所观测到的，这些反射离子还可以在太阳风中被加速并深入到月球后部的太阳风尾迹当中去，并在月球尾迹中引起电磁波动。

文章来源：《遥感学报》 网址: http://www.ygxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0518/669.html