月球尾迹与太阳风小尺度等离子体结构相互作用研究

The Moon represents a kind of objects with no intrinsic magnetic field and no ionosphere which exist widely in the universe. The interaction between the solar wind and the Moon produces a wake structure with very low density behind the Moon.The plasma in the lunar wake shows different features from the solar wind. Until now, the studies on lunar wake mainly focus on the understanding of the 3D structure of the wake and plasma dynamic process within it. Most observational studies and almost all the numerical studies are made under general solar wind. However, there are many small scale plasma structures with specific signatures in the solar wind, such as reconnection exhausts, current sheets and shocks.Systematical studies on the interactions between lunar wake and such structures have not been made. In this project, we investigate the interactions between them by using observations mainly from the two ARTEMIS spacecraft, with one in the lunar wake and the other in the solar wind at the same time. The comparative measurements between the two spacecraft can not only help us to understand these plasma structures, but also lead to more comprehensive understanding of the lunar wake under various kinds of solar wind plasma structures.

月球代表了宇宙中一类广泛存在的天体，它们既没有内禀磁场也没有电离层，与太阳风相互作用后会在背阳面形成一种低密度的尾迹结构。当前，对于月球尾迹的研究主要集中在认识月球尾迹的结构，了解月球尾迹中的等离子体动力学过程等。这其中大多数观测研究和几乎所有数值模拟都是在一般的太阳风条件下进行的。而太阳风中存在许许多多的有着小尺度的等离子体结构，例如重联喷流区，电流片，激波等。月球尾迹与这些结构的相互作用会改变彼此局部的结构和性质，但是它们还没有被系统地研究过。本项目拟利用ARTEMIS两颗卫星（一颗在尾迹中，一颗在太阳风中）对比研究尾迹和这些特殊结构的相互作用，一方面有助于我们更深入地认识和理解太阳风中的小尺度等离子体结构；另一方面，通过分析位于特殊等离子体结构中的月球尾迹的性质有助于我们更好地，更全面地了解月球尾迹三维结构及其动力学过程。

月球是离地球最近的天体，是人类进入深空的桥梁和跳板，同时也是一个研究极端环境的天然实验室。人类很快就会在月球建立有人驻守的基地，因此，研究月球的空间环境，包括背景等离子体和高能粒子环境，显得尤为重要和迫切。月球尾迹是月球空间环境的一个最重要的部分，同时也是研究空间等离子体从高密度向低密度填充的天然实验室。我们通过研究月球尾迹与太阳风中的等离子体结构相互作用和月球的高能粒子环境，得到了以下主要成果。第一，地球磁层和月球本体对月球正面的太阳高能粒子具有一定的屏蔽作用；第二，来自于地球弓激波的高能粒子能频繁到达月球轨道；第三，地球弓激波能使太阳风等离子体逆流漂移进入月球夜侧，从而改变夜侧的等离子体和带电环境；第四，没有载流子的近月尾迹内部的磁场为势场；第五，低beta值的亚声速背景等离子体中也能形成月球尾迹，为等离子体从高密度往低密度区域填充做出了理论上的补充。这些成果丰富了关于月球尾迹及其填充过程的理论，此外，本项目关于月球高能粒子环境的研究未来有望应用到月球的高能粒子环境预报。