低频哨声波——小行星磁场的遥感工具(2)

最新的探测结果还表明，这些反射的离子可以向相反方向深入到太阳风中去，到达距离月面400-500千米的高度，对入射的超声速太阳风形成新的障碍，并在那个高度上形成激波的结构。这个结果表明，人们对迷你磁层的认识还没有统一：一方面，人们基于与“行星磁层”的类比，相信月球剩磁反射太阳风源于迷你磁层前激波结构；另一方面，人们又相信这些被迷你磁层前的激波所反射的太阳风粒子会在更上游形成新的激波结构。事实上，我们尚不明确太阳风离子是如何被月球剩磁反射的。

月球周边也存在丰富的电磁波动，其频率范围跨度很大，从0.01赫兹到数千赫兹不等，它们可由各类磁流体物理过程或者动力学物理过程所激发。这些波动中，与太阳风-月面剩磁相互作用紧密相关的是频率为1赫兹的低频波。从波动的频率看，它们与离子的回旋频率相当，再加上该频率范围的波动在“行星磁层”弓激波外非常常见，研究早已认为这些低频波动是由弓激波上反射的离子所激发的离子回旋共振波动，人们自然而然地认为月球上1赫兹波动也是由于“迷你磁层”弓激波上反射的离子回旋共振造成的。然而，也有研究发现，月球上该频率的波动是左旋波哨声波，这些波动只能是由电子产生。可见，学界对于1赫兹低频波的起源问题的认识也不统一。

地球与行星物理院重点实验室研究团队详细研究了月球剩磁的反射粒子和低频波动的特征。研究发现这里反射离子和低频波动在空间分布上并不重合，即反射粒子所能到达的区域并不一定有低频波动存在（图1）。这一发现直接说明反射离子并不是低频波动的起源，这与“行星磁层”激波前兆区域的情形完全不同。

图1 月球周边1Hz磁场低频波动分布（左）与反射太阳风离子分布（右）。波动在月球周边展示出翅状结构。波动与反射粒子的空间区域并不重合。

低频波动在月球周遭的分布呈现出翅状结构（图1左）。这些波动起源于30千米高度以下的剩磁-太阳风相互作用区，在以400千米/秒的背景太阳风中，沿着磁力线向月球两侧运动，从而展示出翅状结构，就如同大海中航线的船只在其两侧拖拽出的尾迹一般。根据翅状结构的张角和太阳风的速度，可以推断出波动的传播相速度，计算结果完全符合哨声波的传播特征，它该是由电子的运动造成的。然而电子的运动特征频率在千赫兹范围，电子如何能产生该低频波动（1赫兹）呢？

研究提出，这些低频波动不是电子作为“粒子“运动的结果，而是电子流体遇到月球剩余磁场时绕流运动的结果（电子回旋尺度为10千米，远小于剩磁的空间尺度）。月球剩磁水平尺度大约为500千米，太阳风中的电子流体的速度约为400千米/秒。绕流运动的时间尺度在1秒附近，其对应的频率在1赫兹。研究还表明，月球低频哨声波或是单色波，但一般是宽频波动，覆盖0.1-10赫兹的频率范围。这一个结果是由月面磁场的复杂结构造成的。月面磁场的空间尺度并不是单一的，甚至在相邻区域磁场分布的空间频率很宽（10-1000千米），这是造成宽频哨声波的原因。

该研究工作也对反射离子的特性进行了分析。研究结果表明，入射的太阳风离子在月球剩磁外经历了镜面反射（图2）。该结果反映离子在这一相互作用过程中，与电子流体不同，它们更展示出的“粒子特性”，这源于它们的回旋尺度与月面剩磁的空间尺度相当。离子的镜面反射则表明垂直电场在相互作用过程中的主导作用。

图2 图1右图中反射离子表现出镜面反射的特诊。

整个分析可以看出，作为具有较小动量的电子流体在遭遇到月球剩磁时被磁场所阻碍并绕流，产生低频哨声波；而具有大动量的离子则会与电子流体分离，刺入月球剩磁较深的区域，在产生垂直电场的同时，离子自身也被该垂直电场所反射（图3）。因此，太阳风与月球剩磁相互作用过程与行星磁层的场景完全不同，激波结构不再是必然结果，月球“迷你磁层”不具有与“行星磁层”可比拟的结构。由于激波是磁层的必要组件，基于类比目的的月球“迷你磁层”的称号似乎不甚合适。

图3 太阳风与小尺度（~100千米）月球剩余磁场相互作用场景：激波不再形成；入射太阳风离子表现为“粒子”性，被镜面反射；入射电子表现为流体性，围绕剩余磁场绕流，从而产生哨声波，形成哨声翅；离子与电子的空间分离或运动解耦产生垂直于月面的电场，从而反射入射离子。

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