《月球科学概论》读书笔记
第三章 月球环境（上）
1 地月空间与近月空间环境
1.1 辐射环境
太阳系内的主要电磁辐射来自太阳，包括γ射线、X射线、紫外、可见光、无线电波辐射，月球接收到的太阳发射电磁辐射的平均能量密度为1360W/m2。而太阳系内的电离辐射主要包括质子、电子和一些重核子。行星际空间的辐射环境如图1所示。
图1 行星际空间的辐射环境
除极光电子和捕获粒子外，月球的电离辐射流量和地球类似，其辐射流和能量通常跨越8个数量级。放射物主要是质子和一些重核子电子，不同能量和组成的粒子对月球表面的主要影响包括：太阳风的注入、重核子经迹、反作用散裂和次中子以及γ射线的产生。这三种辐射及其对月面影响的物理参数如表1所示。
表1 月球空间主要的辐射类型
|
太阳风 |
太阳宇宙射线 |
银河宇宙射线 |
|
|
核子能量 |
约0.3~3keV/u |
约1~>100MeV/u |
约0.1~>10GeV/u |
|
电子能量 |
约1~100eV |
<0.1~1MeV |
约0.1~>10GeV/u |
|
质子通量/cm-2•s-1 |
约3×108 |
约0~106 |
2~4 |
|
粒子比 |
|||
|
电子/质子 |
约1 |
约1 |
约0.02 |
|
质子/α粒子 |
约22 |
约60 |
约7 |
|
L(3≤Z≤5)/α粒子 |
不确定 |
<0.0001 |
约0.015 |
|
M(6≤Z≤9)/α粒子 |
约0.03 |
约0.03 |
约0.06 |
|
LH(10≤Z≤14)/α粒子 |
约0.005 |
约0.009 |
约0.014 |
|
MH(15≤Z≤19)/α粒子 |
约0.0005 |
约0.0006 |
约0.002 |
|
VH(20≤Z≤29)/α粒子 |
约0.0012 |
约0.0014 |
约0.004 |
|
VVH(30≤Z)/α粒子 |
不确定 |
不确定 |
约3×10-6 |
|
月表穿透深度 |
|||
|
质子和α粒子 |
微米级 |
厘米级 |
米级 |
|
更重的核子 |
微米级 |
毫米级 |
厘米级 |
除了列举的这些粒子外，地月空间里还有着其他类型的γ、电子、反物质和带电粒子辐射。
（1）太阳风
太阳风属于稀薄热等离子体，发源于高温日冕，其主要成分为占95%以上的电子和质子；约占4.8%的氦核，以及少量的氧离子、铁离子等重离子。短期的α粒子/质子的比值为0~0.25，而超过一个月的长期比值约为0.037~0.055。
在距离太阳1AU处的太阳风主要物理特征如表2所示。
表2 太阳风的基本参数
|
能量 |
平均1KeV/u |
|
粒子密度 |
1~20 cm-3 |
|
电子密度 |
7.1 cm-3 |
|
质子密度 |
6.6 cm-3 |
|
平均流速 |
450 km/s |
|
电子温度 |
1.4×105 K |
|
质子温度 |
1.2×105 K |
|
质子的一般流量 |
1~8×108 cm-2•s-1 |
|
7 nT |
太阳风的空间分布和流速是不均匀的，流速最值区间为900km/s至200km/s，并且太阳风粒子密度的波动也大，粒子平均密度为106m-3，太阳风磁场的平均值约为7nT。
太阳风不仅月球大气和月表几种不稳定元素的主要来源，而且还会产生溅蚀反作用对月表造成侵蚀。此外，太阳风还会在月球的阴影区产生一个等离子空腔，在此空间中等离子体密度为零，但磁场强度要比未扰动的行星际磁场要强。
（2）太阳宇宙射线
太阳宇宙射线（SCR）也称太阳高能粒子，是太阳爆发时喷射出的以高能质子为主要成分的高能粒子流，固也称太阳质子事件。
△ 太阳宇宙射线能量与速度
太阳宇宙射线的能量与速度具有正相关性，并且还可以在日冕磁环或行星际被加速。
△ 太阳宇宙射线通量
太阳活动11年为1个周期，其中7年为太阳活动高年，4年为太阳活动低年。大的太阳耀斑一般发生于太阳活动高年，在太阳活动低年一般不发射SCR粒子。并且，SCR粒子流量与太阳黑子数存在着一定的正相关性，如图2。
图2 太阳耀斑相关粒子通量
如图3，以太阳活动相对活跃的1972年为例，在太阳耀斑爆发之后，SCR流会迅速增强，然后以不同速率衰减，能量越高的SCR衰减得就越快。在事件的早期，通常存在很大的各向异性，事件结束时低能粒子会恢复各向同性。
图3 1972年8月部分能级太阳质子通量的时间分布
通过对质子时间的观测和统计（如图4），可以发现，随着能量的增高，SCR粒子能谱迅速下降，太阳宇宙射线通量减少，并且大多数粒子能量不高于30MeV。
图4 不同时间的太阳宇宙射线质子通量与能量关系图
（3）银河宇宙射线
银河宇宙射线（GCR）指来自太阳系以外的高能粒子，组层其的带电粒子具有能量极高但通量很低的特征，它们具有小的各向异性，且能量越大各向异性越小。这些粒子在空间中传播时受行星际磁场和太阳活动的影响，且能量越低受到的影响就越大。
其中，初级银河宇宙射线能谱覆盖了从106~1022eV的能量范围，且其质子、α粒子和重粒子拥有相似的微分能谱。
银河宇宙射线（GCR）的粒子通量与太阳活动性有关，通常小于1cm-2·s-1·sr-1，且随着单粒子能量的增加而减少，其能量极大值在数百至数千MeV之间。在太阳活动处于平静期时，低能段部分的银河宇宙射线粒子通量随能量的减少而增加。
在太阳11年的活动周期里，1GeV/u以上的GCR粒子流的能量会有1~2倍的变化，其能量在太阳活动小年达到最高值。如图5，GCR能谱的调制在低能时最大，也就是其粒子通量受太阳活动影响最大，在10GeV/u以上的GCR粒子几乎不受太阳风磁场的影响。在没有太阳耀斑时，能量在10MeV~10GeV范围内的银河宇宙射线粒子通量随太阳活动性的增加而减少，尤其是低能谱段的部分受影响最大，并且一
般在太阳活动小年银河宇宙射线粒子通量最大。
图5 银河宇宙射线质子通量与能量关系图
（4）月球辐射环境参数的计算
虽然在地月空间内太阳风粒子的通量最大，但由于其单粒子能量较低，其关注度也要小于太阳宇宙射线和银河宇宙射线。太阳宇宙射线具有较高的单粒子能量和通量，以及较长的持续时间，是影响地月空间航天器和月球着陆器最主要的辐射种类之一。而银河宇宙射线虽然通量最小，但其高能量使单个这样的粒子就能对电子元件造成破坏。
1.2 电离层环境
（1）月球电离层存在的迹象和争议
月球具有很弱的电离层，其离子密度约为500cm-3，离子的能量约为0.2eV。这个估算与月球大气的电离率约为0.2%到5%的研究结果相一致。
图6 Luna19和22探测到的电离层密度随月表高度的变化
（2）月球电离层存在的可能性
近月空间不存在全球性的电离层，当月球处于太阳风中，非边缘光照区近月空间存在电离层是非常有可能的。电离层的等离子体密度约为100~1000电子/立方厘米的量级，电离层密度的变化与月相、当地的月表剩磁、太阳风条件、当地的月壤特征等相联系。
1.3 大气环境
月球的大气非常稀薄。在月球的夜晚宁静的大气密度只有约2×105分子/立方厘米，而白天则降到了104分子/立方厘米，要比地球大气密度小14个数量级。月表大气的主要成分是氖、氢、氦、氩。氖、氢和多数氦主要来自太阳风，少数氦来自月球本身的重核放射性衰变，氩（40Ar）主要是通过月球上40K放射性衰变形成的。月球气体可能的丰度见表3：
表3 月球表面气体密度和高度范围
|
气体 |
密度/（分子/立方厘米） |
高度范围/km |
||
|
白天 |
夜晚 |
白天 |
夜晚 |
|
|
20Ne |
4×103~104 |
105 |
100 |
25 |
|
He |
8×102~4.7×103 |
4~7×104 |
511 |
128 |
|
H2 |
2.5~9.9×103 |
104~1.5×105 |
1022 |
256 |
|
Ar |
2×103 |
<102 |
55 |
— |
|
CH4 |
1.2×103 |
— |
— |
— |
|
CO2 |
103 |
— |
— |
— |
|
NH3 |
4×102 |
— |
— |
— |
|
OH+H2O |
0.5 |
— |
— |
— |
但由于Apollo的测量误差、太阳风对气体产生的影响及昼夜变化对大气密度的影响、不同纬度不同昼夜温差对大气密度的影响，导致了气体丰度测量值存在一定的误差。
图7 九个月球日阿波罗14登陆点的月表气体浓度变化
1.4 流星体环境
流星体是自然存在且正在宇宙空间中的固态物体，其体积要远小于小行星或彗星，其中直径小于1mm的流星体称之为微流星体，坠落到行星上则称之为陨石。在月球表面几乎所有暴露在空间的岩石上都包含微型陨石坑，通过研究月球表面岩石可以得知其过去几亿年间平均每年的流星流量大致为：
lgNt=-14.597-1.213 1 lgm (10-6<m<106)
lgNt=-14.566-1.584 1 lgm-0.063(lgm)2 (10-12<m<10-6)
在这两个公式中，Nt是质量为m的粒子个数每平方米秒，单位为粒子/（m2•s）；m为质量，单位为g。
其中，流星体撞击月面的速度大致为13~18km/s。
通过研究月球表面的流星体通量可知，来自于太阳方向的小流星体（<1μm）要比其他方向的显著增加，而顺着地球运动方向到达月表的大流星体（>1μm）只比其他方向的细微增加，并且面向地球公转运动方向的月面会遇到更大更多的流星体。
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