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[硕士论文] 王慧姿
空间物理学 山东大学 2018(学位年度)
摘要:月球是地球唯一的天然卫星,通过对月球与地球磁层相互作用的研究,可以加深对非磁化太阳系天体与周围等离子体相互作用以及地月系统间相互作用的理解。在月球的轨道周期中,它大部分时间暴露于太阳风中,剩余约四分之一的时间位于地球磁层中。地球磁层屏蔽了大量的太阳风,但是在地球磁层内同时存在着来自太阳风和地球的成分(例如,H+、He+、O+、N2+、NO+、O2+),其粒子能量的范围较大,粒子通量通常比太阳风低,地球磁层内不同区域的等离子体能量和通量也各不相同。而月球无大气无固有磁场,等离子体可以直接作用于月球表面,故地球磁层与月球之间或多或少会产生影响。因此,本文将对月球与地球磁层之间的相互作用进行研究,包括地球磁层粒子对月球表面水的生成的影响,月球位于地球磁层内的不同区域对地球磁层磁场活动的影响。
  在第一章中,主要介绍了月球与等离子体相互作用的研究背景,包括不同天体与等离子体的相互作用机制;固体表面受等离子体轰击所产生的效应;月球空间的等离子体环境,其中包括月球与太阳风相互作用,月球与磁层相互作用的研究现状以及比较月球处于太阳风和磁层中时,等离子体环境的异同等。
  在第二章中,主要介绍了地球磁层粒子对月球表面水生成的影响。利用ARTEMIS卫星ESA仪器的数据,计算五年内的平均能谱,统计磁层内外能通量的差别;利用2009年1月26日-2月9日月船一号(Chandrayaan-1)月球矿物测绘仪(Moon Mineralogy Mapper,M3)的数据,通过计算波长在2.8微米附近的吸收深度来表征水含量,对月表水含量在空间分布及时间变化上进行了统计,尤其是磁层内外水含量的差异;利用了月亮女神(Kaguya)卫星磁场与等离子体实验仪器(MAP-PACE)的数据,通过磁场和粒子能通量的变化确定该月球周期内月球在地球磁层里的时间段。观测结果表明地球磁层内能量在1KeV(太阳风主要能量)的能通量降低约两个数量级,而月水含量在月球位于地球磁层内外时却没有量级上的差别。为了解释该现象,计算了月球进入地球磁层后太阳风H在月壤内的扩散损失,结果显示在月球高纬度地区H的扩散损失达一半以上,这说明磁层粒子产生的水使月球水含量在磁层内没有减少。通过统计太阳风和磁层平均能量-能通量分布,给出了太阳风和磁层内相同能量-能通量的两个交点,可以为实验室开展轰击实验提供依据。
  在第三章中,主要介绍了月球位于地球磁层内不同位置时对地磁活动的影响,利用ARTEMIS卫星的磁场、速度、密度、温度等5年的数据找出了月球位于磁层内的时间段,在此时间段内利用Beta值(热压/磁压)的大小区分出月球位于磁层的不同区域的时间(等离子体片、等离子体片边界层、尾瓣),统计月球位于磁层内的不同区域对地磁活动的影响并分析其物理机制,统计结果显示满月之前地磁活动减弱,满月之后地磁活动增强,利用高纬AE指数统计得到满月前后变化的幅度更加明显,这说明月球可能是通过磁尾调制地磁活动的;在磁层内三个区域统计结果显示,月球处于磁层内的不同位置对地磁活动的影响不同,月球在等离子体片及边界层内时,地磁活动在晨侧较强,而月球在尾瓣时,地磁活动在昏侧较强,并且满月前后变化的趋势与月球位于等离子体片的概率呈反相关关系,但这其中的物理机制还需进一步研究。
  综上所述,地球磁层等离子体对月球表面水的产生存在一定的贡献,月球对地磁活动也存在一定的影响,其中的物理机制有助于对地月系统相互作用的理解,为将来的探月和深空探测任务提供理论基础。
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