王 赤，李 磊，張愛兵，張珅毅，侯東輝，徐子貢，謝良海，王慧姿，羅朋威，郭靜楠，史全岐，張小平

（1.中國科學院 國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049；4.中國科學技術(shù)大學，合肥 230026；5.山東大學 空間科學與物理學院，威海 264209；6.澳門科技大學，澳門 999078）

引 言

月球沒有全球性的偶極磁場和大氣層，太陽風、太陽高能粒子、銀河宇宙線幾乎可以無阻礙地到達月面，與月表物質(zhì)相互作用，形成特殊的月表環(huán)境。

早年，人們認為月壤能夠吸收到達月面的所有太陽風粒子，月球?qū)ι嫌蔚奶栵L沒有擾動，但下游會形成太陽風的空腔。然而，近年的觀測表明，太陽風并沒有被完全吸收，太陽風通量的0.1%～1%以質(zhì)子的形式[1-2]，更多的（約20%）則以氫原子的形式被月面散射[4-8]。此外，太陽風轟擊月面還可從月壤中濺射出重原子[9]。散射的太陽風氫原子和濺射的月壤重原子通常都具有較高的速度，統(tǒng)稱為能量中性原子（Energetic Neutral Atom，ENA）。

太陽風與月球相互作用形成ENA的過程，不僅與太陽風來流的狀態(tài)、月表電磁環(huán)境有關，還涉及局部地形、月壤的物理化學特性等因素?！霸麓?號”（Chandrayaan-1）觀測結(jié)果顯示，ENA并不是理論預期的前向散射，而是以后向散射為主，這可能與月表的微觀結(jié)構(gòu)有關[3]。另外，ENA的能量近似呈Maxwell-Boltzmann分布，其溫度正比于入射太陽風的速度，但散射率卻與太陽風參數(shù)無相關性[5]。進一步分析IBEX的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，只有當入射太陽風的能量較高時（>250 eV），ENA的散射率才呈現(xiàn)與太陽風能量的反相關性，即ENA散射率隨太陽風能量增大而減小[8]。上述結(jié)果都是根據(jù)環(huán)月軌道上的觀測得到的。由于觀測位置距離ENA在月表的散射源大于數(shù)十km，從數(shù)據(jù)中得到的是ENA在宏觀尺度上的平均特征，而太陽風在月面散射的微觀過程還有待進一步觀測研究。

另外，月面散射的ENA的空間分布與月球磁場有關[10-11]。月球雖然沒有全球性的內(nèi)稟磁場，但月殼常有磁性（稱為磁異常）。磁異常主要分布于月球背面，強度為幾十到幾百nT，水平方向的尺度約為100 km。在磁異常區(qū)，Chandrayaan-1發(fā)現(xiàn)，能量較高的ENA（150～600 eV）的通量明顯下降，推測太陽風被磁異常偏轉(zhuǎn)，局地形成了微磁層[11]。關于月球微磁層，早期的觀測證據(jù)來自LP衛(wèi)星的原位測量。Lin等[12]報道，在磁異常區(qū)上空，發(fā)現(xiàn)了與弓激波相關的磁場壓縮及低頻擾動現(xiàn)象。然而對于通常磁層應有的等離子體空腔，至今只有LP衛(wèi)星的1次觀測。Chandrayaan-1間接證明了微磁層存在等離子空腔，然而，目前仍然缺乏對微磁層內(nèi)部的直接觀測。在“嫦娥四號”之前，還從未有過在月面觀測微磁層的報道。

月表的粒子輻射環(huán)境由宇宙線、宇宙線的反照輻射以及月球放射性核素的輻射構(gòu)成[13]。一方面，月表接近真空且缺乏全球性磁場的保護，時刻遭受著宇宙線的轟擊。銀河宇宙射線由能量極高、通量極低的帶電粒子組成，其中質(zhì)子和重離子占98%，電子和正電子占2%。高能的重離子，尤其是高原子序數(shù)的重離子，有著非常高的線性能量傳輸譜（Line Energy Transfer，LET）和很強的穿透性，會引起很強的生物輻射損傷效應。太陽高能粒子為偶發(fā)事件，只有在太陽活動比較活躍，如日冕物質(zhì)拋射或太陽耀斑時，才會發(fā)出大量高能粒子，包括質(zhì)子、電子和氦離子，以及少量的重離子，一般會持續(xù)幾個小時到幾天。銀河宇宙射線一般與太陽活動反相關，即當太陽活動增強時銀河宇宙線減弱。另外一方面，銀河宇宙射線和太陽高能粒子撞擊月壤，產(chǎn)生二次輻射，主要為中子（包括能量1～20 MeV的快中子）和伽馬射線，其中一部分與月壤不發(fā)生作用或被月壤減速后逃離月表，形成反照輻射。反照輻射取決于銀河宇宙射線和太陽高能粒子的強度以及月壤條件，隨時間、地點均有變化。此外，月球上天然放射性元素衰變是伽馬射線的主要來源。

月面粒子輻射會嚴重威脅宇航員和精密儀器的安全。因此，保障人類登月活動的安全，離不開對月表輻射環(huán)境的全面準確認識。然而，對月球及周邊的輻射測量的研究并不多：近年國內(nèi)外主要有“嫦娥一/二號”、Chanderaan-1和月球勘查軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）在環(huán)月軌道上監(jiān)測月球空間粒子輻射環(huán)境[22-24]，軌道高度一般不低于50 km。在“嫦娥四號”之前，人類還沒有在月表開展過輻射測量，對月面輻射環(huán)境的認知完全依靠模型。以模型預測的銀河宇宙線和太陽高能粒子參數(shù)作為輸入，輻射傳輸模型計算得到的月表總吸收劑量或總劑量當量的不確定性較大[22]。

2019年1月2日，“嫦娥四號”成功著陸于月球背面的南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken basin）內(nèi)的馮?卡門撞擊坑（Von Kármán crater），在人類歷史上首次開展月球背面的著陸和巡視探測。著陸器和巡視器分別搭載了月表中子與輻射劑量探測儀（Lunar Neutrons and Dosimetry，LND）和中性原子探測儀（Advanced Small Analyzer for Neutrals,ASAN），為研究月表空間環(huán)境，太陽風和宇宙線與月球及月壤的相互作用提供了難得的機遇。

1 月表太陽風ENA觀測

1.1 中性原子探測儀（ASAN）

ASAN搭載在“嫦娥四號”巡視器上，對月表的ENA和正離子的能量、通量和成分進行測量[14]。ASAN傳感器工作原理如圖1所示。在中性原子模式下，ENA經(jīng)過離子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)后進入儀器內(nèi)部，被電荷轉(zhuǎn)換面電離為正離子，正離子通過靜電分析器完成能量分析，之后由飛行時間單元（離子打在起始面上產(chǎn)生二次電子，并被電子倍增器放大產(chǎn)生的起始信號；離子與起始面作用后生成的中性原子打在終止面上，產(chǎn)生二次電子并被電子倍增器放大產(chǎn)生的終止信號）確定其速度，通過能量和速度可以得到中性原子的質(zhì)量（成分）信息。ASAN有兩種工作模式：中性原子探測模式和離子探測模式，可分時探測中性原子和正離子，中性原子為主要探測模式。在離子探測模式下，離子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)關閉，可實現(xiàn)正離子探測[14]。

圖1 中性原子探測儀傳感器工作原理[14]Fig.1 Advanced Small Analyzer for Neutrals sensor optics[14]

中性原子探測儀安裝在“玉兔二號”巡視器的+X艙板上[15]，傳感器的入口系統(tǒng)通過+X艙板的開孔伸出艙外，視軸斜向下指向月表，與水平方向夾角為30°，視場呈梯形，面積約為1.57 m2，如圖2，圖2（a）為ASAN安裝在巡視器的+X艙板上示意圖，+X方向為巡視器前進方向，ASAN垂直方向視場為37°，視軸（點虛線）與水平面夾角為30°，指向月面；圖2（b）為ASAN在月面上的的視場范圍，隨著巡視器在月面的行走，ASAN可以在不同的太陽風入射角度下探測來自月面的ENA，獲取米級尺度的ENA分布，用于研究太陽風與月壤相互作用的小尺度特征。

中性原子探測儀隨“玉兔二號”在月面上開展巡視探測，月晝開機，每次科學探測的持續(xù)時間約為3 h。由于ENA計數(shù)率較低，為了改善數(shù)據(jù)統(tǒng)計的質(zhì)量，將單次科學探測的原始計數(shù)進行積分，扣除由巡視器放射性同位素熱源（Radioisotope Heater Unit，RHU）產(chǎn)生的背景噪聲（參見2.2節(jié)），并將粒子計數(shù)轉(zhuǎn)換為微分通量，評估數(shù)據(jù)不確定性及其可能的原因[15]。

1.2 月表ENA的觀測結(jié)果

ASAN在月面獲取的ENA典型能譜[15]如圖3所示，圖中還給出了Chandrayaan-1和IBEX從空間對月球ENA遙感觀測的結(jié)果[5-6]，ENA的能量和通量分別用太陽風的能量和通量做了歸一化。比對圖中不同的能譜發(fā)現(xiàn)，能量高于太陽風離子能量（Esw）的10%時，氫ENA能譜與Chandrayaan-1和IBEX的觀測數(shù)據(jù)一致性較好；而在＜0.1 Esw時，ASAN測得的氫ENA通量要高于Chandrayaan-1和IBEX的結(jié)果。從能譜結(jié)構(gòu)推測，ENA來自兩個不同的生成過程：能量高于0.1 Esw的ENA主要是太陽風被月壤散射生成的氫ENA，而能量低于0.1 Esw的ENA則主要是被太陽風濺射的月壤物質(zhì)ENA。月壤ENA通量隨能量下降而迅速上升的原因，可能是ENA濺射產(chǎn)率的變化以及月壤中氫含量的變化。相對于Chandrayaan-1和IBEX在軌道上對ENA的大尺度探測，ASAN的探測視場僅覆蓋了月1.57 m2的面積，局地月壤特性（如疏松程度、顆粒大小以及成分等）也可能對能譜有影響，尤其是當ENA能量較低時。此外ENA能譜還會隨著太陽天頂角（Solar Zenith Angle，SZA）和觀測極角變化[3]，因此，特定的觀測角度也可能會導致不同的能譜結(jié)構(gòu)。

圖3 ENA能譜，相對于太陽風能量（Esw）和通量作了歸一化[15]Fig.3 ENA energy spectrums,normalized by the solar wind energy (Esw) and flux[15]

Wang等[16]分析了2019/1/11—2020/10/12期間23個月晝的ENA能譜，結(jié)合同期太陽風觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)的ENA微分通量與太陽風參數(shù)如通量、密度及動壓呈正相關關系。ENA能量在100～600 eV時，相關系數(shù)較高，大約在140～333 eV相關性最好；能量較低的ENA(＜100eV)，相關性不明顯。ASAN觀測的ENA存在兩種來源，能量小于100 eV的ENA可能來自月壤和儀器內(nèi)表面材料濺射物的ENA，而大于100 eV的ENA才是被月面散射的氫ENA。這一結(jié)論與文獻[15]的分析一致。

1.3 ENA觀測發(fā)現(xiàn)月球微磁層的證據(jù)

Xie等[17]分析了UT 2019/1/11—2020/04/28期間46個ENA能譜數(shù)據(jù)，考察了ASAN觀測結(jié)果與月球地方時的關系（月球地方時定義如下：日下點為12點，日下點的對跖點為24點）這其中，有26個能譜的觀測地方時為07:00—09:30；其它地方時為14:30—17:00。鑒于能量低于100 eV的ENA可能被月壤濺射物污染[15-16]，只考慮100 eV以上的ENA。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是上午還是下午時段，ENA的微分通量JENA與JSW,N（月球上游未擾太陽風在月表的法向通量）均有較好的線性關系，如圖4所示。然而，關鍵問題是，為什么下午時段的JENA整體上小于上午時段的JENA？

圖4 月球地方時上午（紅）和下午（藍）時段，能量高于100 eV的ENA通量隨未擾動太陽風月表法向通量的變化[17] 及ASAN觀測結(jié)果Fig.4 ENA flux variation with the undisturbed solar wind normal incidence flux[17],measured by ASAN in mornings (red) and afternoons (blue),lunar local time

“嫦娥四號”著陸點位于艾特肯盆地的中部（177.6°E，45.4°S），西北方向是月球最強的磁異常區(qū)——雨海對跖區(qū)（Imbrium antipode）。該磁異常區(qū)半徑達600 km，中心位于（162°E，33°S）[18]，“嫦娥四號”剛好位于該磁異常區(qū)的東南邊緣。由圖5可知，下午時段，太陽風從西邊吹過來時，“嫦娥四號”位于磁異常的下游，這時如果上游磁異常區(qū)形成微磁層，“嫦娥四號”可能被包裹在微磁層的磁尾里。而上午時段，“嫦娥四號”位于雨海對跖區(qū)磁異常區(qū)的上游。這意味著上午/下午不同時段觀測結(jié)果的差異很可能和太陽風與磁異常的相互作用有關。如果形成了微磁層，當“嫦娥四號”位于磁異常的下游時，就可能被包裹在微磁層的磁尾里。由于微磁層對太陽風的屏蔽作用，到達月面的太陽風通量就會降低，相應月面散射的EAN通量也會降低。

圖5 “嫦娥四號”著陸點周圍的磁場大小分布[17]Fig.5 Magnetic field strength around the landing site of Chang’E-4[17]

為了進一步確定上下午觀測差異的原因，Xie等[19]針對“嫦娥四號”的觀測場景，利用全球Hall-MHD模型，模擬計算了太陽風與月球的相互作用。模擬結(jié)果證實了上文的推測：雨海對跖區(qū)磁異常區(qū)形成了微磁層，下午時段，“嫦娥四號”位于磁異常區(qū)的下游，微磁層的磁尾延伸到了“嫦娥四號”的位置，太陽風被微磁層遮擋，造成ENA通量的下降〔圖6，表明雨海對跖點磁異常區(qū)形成了微磁層，下午時段，“嫦娥四號”位于磁異常區(qū)的下游時，被微磁層包裹，圖中展示了歸一化的太陽風密度（N/Nsw），以及月表的磁場強度（B）[17]〕。

圖6 太陽風與月球相互作用Hall-MHD模擬結(jié)果Fig.6 Solar wind interacts with the Moon,simulated by the Hall-MHD model[17].

1.4 微磁層的特性

圖7 ASAN觀測結(jié)果[16]Fig.7 Results based on ASAN observations[16]

此外，比較圖7（c）中3類事件的能譜，微磁層內(nèi)的ENA通量（藍色）整體低于上游ENA通量（紅色，上午時段觀測數(shù)據(jù)），并且這種差異在高能段更明顯。這表明離子在穿過微磁層到達月表時已經(jīng)減速，從而高能段通量向低能段轉(zhuǎn)移。下午觀測中不在微磁層內(nèi)的數(shù)據(jù)（綠色），與上游觀測結(jié)果在高能段相差不大，但是低能段（低于0.2 ESW）的ENA通量比上游結(jié)果還高。這部分額外的低能粒子可能是在上游或周邊被磁異常偏轉(zhuǎn)或減速的太陽風粒子，有待進一步研究。

按理論預測，磁異常區(qū)上空形成微磁層時，離子因其慣性長度大，會穿透微磁層，而電子被屏蔽在微磁層外，因而產(chǎn)生電荷分量，形成靜電場，使得穿入磁層的離子減速[20]。因此，下午事件的截止能量低于上午事件〔見圖8，這里ENA的截止能量為ASAN能分辨的最高ENA能量，對應圖3中虛線以上能量的最大值，圖8中虛線表示95%置信區(qū)間，矩形顯示了兩個分別在上、下午觀測的太陽風能量（約680 eV）相似的事件〕。Wang等[16]根據(jù)ASAN上、下午觀測事件中ENA截止能量之差，估算太陽風的減速率為12%～18%，對應的靜電勢范圍在50～260 V。

圖8 上午時段(紅)和下午時段(藍)太陽風能量與ENA截止能量的關系[16]Fig.8 ENA cut-off energy as a function of the solar wind energy in mornings (red) and afternoons(blue)[16]

2 月表粒子輻射環(huán)境

2.1 月表中子與輻射劑量探測儀（LND）

月表中子與輻射劑量探測儀[21]用于測量月球表面帶電粒子的輻射劑量率、通量，以及月球表面快中子的能譜，包括0.5～數(shù)MeV的電子、8～35 MeV的質(zhì)子、17～75 MeV/nuc的重核，獲取月球表面的劑量率隨時間的變化，以及線性能量轉(zhuǎn)移LET譜。

LND采用10 片硅固體探測器（A～J）構(gòu)成一個粒子望遠鏡，傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖9（a）所示。每片硅固體探測器有兩個靈敏區(qū)如圖9（b），斜線部分為外探測器，網(wǎng)格部分為內(nèi)探測器，可以輸出兩個獨立的信號，分別用1、2標識，如探測器A1、A2。探測器A的正上方覆有一個擋光層；探測器 B、C、D 用于測量中性粒子（快中子和伽馬射線）；探測器 E、F 之間以及探測器 G、H 之間夾有很薄的釓片（紅色部分），分別測量來自 LND 上方和下方的熱中子；探測器 F、G 之間有一個厚釓片，用于吸收來自 LND 下方的熱中子，防止其干擾E-F三明治結(jié)構(gòu)探測器的測量?？偽談┝亢蛣┝柯释ㄟ^探測器B測量，中性粒子的吸收劑量和劑量率通過探測器C1測量，緊密靠近的探測器B、D以及探測器C2作為反符合用于區(qū)別帶電粒子。如上文所述，LET譜由dE/dx確定。這里的dE/dx可通過有不同計數(shù)率和平均路徑長度的3種探測器邏輯組合方式測量得到。穿透粒子的測量需要10片探測器中均有信號產(chǎn)生。

圖9 月表中子與輻射劑量探測儀[21]Fig.9 Lunar Neutron and radiation detector[21]

2.2 著陸器放射源的干擾校正

LND安裝在“嫦娥四號”著陸器上。然而，著陸器上還有4個為儀器提供熱量和動力的放射源，包括一個放射性同位素熱電發(fā)生器（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG）和3個放射性同位素加熱器裝置（RHU），在工作過程中會持續(xù)不斷地釋放中子/伽馬射線。來自RTG/RHUs的輻射若穿透著陸器的屏蔽結(jié)構(gòu)，入射到 LND 中，就成為LND數(shù)據(jù)的本底干擾。由于RTG/RHUs的輻射相對穩(wěn)定，如在“嫦娥四號”發(fā)射前，通過地面實驗測量RTG/RHUs對LND的本底干擾，并假定“嫦娥四號”落月后來自RTG/RHUs的輻射不變，那么后期數(shù)據(jù)處理時將地面測試的本底值減去，即可獲得月表環(huán)境的數(shù)據(jù)。

然而，由于實驗室測試環(huán)境和月面條件差異較大，比如地面宇宙線輻射的影響、實驗室墻壁的作用等等，地面實驗數(shù)據(jù)無法直接用于校正LND在月面的觀測結(jié)果。HOU等[25]提出了一種實驗和仿真相結(jié)合的方法：通過有放射源與無放射源時地面輻射實驗結(jié)果的對比，確定了地面宇宙射線對實驗的干擾；搭建地面實驗場景，經(jīng)GEANT4 仿真得到RTG/RHUs在LND探測器B 中產(chǎn)生的總劑量率本底為5.20±0.56 μGy/h，而中性粒子（中子和伽馬射線）的劑量率本底為 1.69±0.46 μGy/h[13]。在此基礎上，可對LND月面觀測的總劑量率進行校正。

2.3 月表輻射環(huán)境觀測

圖10展示了“嫦娥四號”落月后最初兩個月晝內(nèi)（2019年1～2月）LND的觀測數(shù)據(jù)[26]，圖中從上到下依次為總劑量率（a）、中性粒子劑量率（b）、帶電粒子劑量率（c）以及穿透性粒子通量（d）隨時間變化的結(jié)果。（a）和（c）的劑量率以及（d）的穿透粒子通量與B的中性粒子劑量率相比，顯示出更大的波動。中性粒子劑量率測量時，記錄的主要是中子與探測器C1中Si發(fā)生核反沖作用時轉(zhuǎn)移到Si中的反沖能量，及低能伽馬射線（Eγ＜1 MeV）在探測器C1中的能量沉積。因沒有方向信息，此測量的幾何因子比穿透粒子測量的大得多。因此，在（a）、（b）和（d）中看到的波動是對總劑量率有貢獻的氦核，甚至是重離子的數(shù)量波動引起的。另外，LND測量的LET譜具有顯著的不變性。圖11展示的是第一次月晝不同時間段的LET譜[26]。由于LET譜只測量了帶電粒子，因此其不變性和圖10（c）～（d）的現(xiàn)象一致，即在LND工作期間帶電粒子劑量率以及通量幾乎沒有變化。這說明前兩個月晝中總劑量率的明顯變化是中性粒子劑量率變化引起的。

圖10 “嫦娥四號”著陸后前兩個月晝LND測量的月球輻射環(huán)境隨時間的變化[26]Fig.10 Temporal variation of the lunar radiation environment within the first two lunar days after Landing of Chang’E-4[26]

根據(jù)圖10及圖11的測量數(shù)據(jù)（圖11中，黑色圓圈是在著陸器巡視器分離前的結(jié)果；紅色方框是巡視器離開著陸器，但是艙門仍然關閉時的結(jié)果；紫色正三角為艙門打開后的測量結(jié)果；藍色倒三角表示熱循環(huán)系統(tǒng)工作后的結(jié)果），可得到在硅中的平均總劑量率為13.2±0.7 μGy/h，平均中性粒子劑量率為3.1±0.5 μGy/h。根據(jù)2.2節(jié)給出的RTG/RHUs引起的LND本底，表1給出了校正后的測量結(jié)果以及相對誤差，來自RTG/RHUs的本底誤差被認為是系統(tǒng)誤差，并在“最終結(jié)果”列中按二次方相加扣除。中性粒子對總劑量率的貢獻為23%±8%。減去中性粒子的貢獻后，帶電粒子引起的硅中劑量率為10.2±0.9 μGy/h。將硅中的LET譜轉(zhuǎn)換為水中LET譜，計算得到平均品質(zhì)因子為＜Q>=4.3±0.7。將上述帶電粒子吸收劑量率（水中）與＜Q>相乘得到來自GCR帶電粒子的計量當量率為57.1±10.61 μSv/h[26]。

圖11 線性能量轉(zhuǎn)移譜（LET，已轉(zhuǎn)化到水中LET）[26]Fig.11 LET spectrum (converted to LET in water)[26]

表1 月球表面劑量率（μGy/h）測量結(jié)果匯總[16]Table 1 Results of dose rates(μGy/h) measured on the lunar surface[16]

比較太陽平靜期（UT 2019.01—2020.02）LND和近地航天器（ACE、SOHO和STEREO-A）的觀測數(shù)據(jù)，在約10～100 MeV/nuc能量范圍內(nèi)，LND的宇宙線能譜與近地航天器得到能譜是一致的[27]。具體說，LND與近地航天器對H和CNO的觀測結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是一致的，通量比的平均值分別為（1.05±0.15）和（1.08±0.16）；對于He和重離子，近地航天器與LND的觀測結(jié)果在1.7σ內(nèi)相當，通量比的平均值分別為（1.30±0.18）和（1.24±0.21）。因此，可得出結(jié)論：對于低能宇宙線的能譜，月表環(huán)境對它們的影響是可以忽略的。考慮到更高能的宇宙線更不易受到月表環(huán)境的影響，因此可以將該結(jié)論進一步推廣為：月表環(huán)境對這些宇宙線能譜的影響是可以忽略的[17]。

此外，Luo等[27]還提取了3He/4He的通量比，發(fā)現(xiàn)在約12 MeV/nuc時有顯著增強。LND的觀測還證實了宇宙線通量的晨昏對稱性。這些結(jié)果中，LND測量的宇宙線能譜，特別是質(zhì)子能譜，它與廣泛使用的CRèME模型給出的預測值之間存在顯著差異：對于CRèME96和CRèME2009模型[28-29]，LND與它們之間的通量比值的平均值分別達到（1.69±0.17）和（2.25±0.23）（如圖12）。這能為CRèME模型的改進提供很強的約束，這些宇宙線能譜也能為其它相關的理論模型提供檢驗和約束。當然，這些宇宙線能譜最直接的作用是能夠直接為月背的宇宙線及與其相關的研究提供輸入數(shù)據(jù)，進而促進對月表的質(zhì)子、中子和伽馬發(fā)射能譜的了解。此外，LND測得的3He/4He通量比值與GALPROP模型給的預測值之間存在很顯著的差異，這也為GALPROP模型以及其它相關的理論模型提供很強的約束。LND對月表宇宙線通量的晨昏對稱性的證實將為未來的載人登月任務著陸時間和宇航員月表出艙活動時間的選擇提供重要指引。

圖12 LDN對宇宙線各組成分的通量測量與近地航天器觀測結(jié)果的比值平均值（紫色）[27]；LDN對宇宙線各組成分的通量測量與CRèME模型預測值的比值平均值[28-29]（綠色對應CRèME96，橙色對應CRèME2009）；紅色虛線表示比值為1.0Fig.12 Averaged ratio of GCR compositions from LND,to those from the near Earth spacecrafts (magenta)[27],and model predictions[28-29] (Green CRèME96,orange CRèME2009).Red dashed line marks the ratio of 1.0

根據(jù)LND兩年內(nèi)（UT 2 019.01—2 020.12）的觀測數(shù)據(jù)，月表粒子輻射在硅中的平均總吸收劑量率為12.66±0.45 μGy/h，其中，中性粒子吸收劑量率為2.67±0.16 μGy/h。輻射劑量率在兩年內(nèi)隨時間出現(xiàn)緩慢的下降，LET譜的變化則很小。另外，2020年12月的太陽活動末期，由于銀河宇宙線福布斯下降，輻射劑量率降低了10%左右（如圖13）[30]。

圖13 太陽質(zhì)子爆發(fā)期間輻射劑量的變化情況[30]Fig.13 Radiation changes in the solar energetic particle events[30]

2.4 對太陽高能粒子事件的觀測

LND不僅能測量輻射劑量，還能探測太陽高能粒子，監(jiān)控太陽爆發(fā)活動及其對日地空間環(huán)境的影響。太陽爆發(fā)（如耀斑、太陽日冕物質(zhì)拋射）產(chǎn)生的太陽高能粒子可直接到達月球表面。2019年5月6日，LND在月球背面探測到了第一個太陽高能粒子（Solar Energetic Particle，SEP）事件[31]。這個事件峰值流量非常小，持續(xù)時間也很短，是典型的脈沖型太陽高能粒子事件（impulsive SEPs）。根據(jù)不同能量段的粒子流量曲線，Xu等[31]計算了電子和質(zhì)子開始到達月球的時間，開始時間和對應的速度（1/β=c/v）見圖14?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是電子還是質(zhì)子速度都呈現(xiàn)出彌散分布，也即速度快的粒子先到達，速度慢的粒子后到達。對圖14數(shù)據(jù)點進行線性擬合，可推出粒子從加速區(qū)釋放時間以及粒子到達月球前在行星際空間的傳輸距離。結(jié)果顯示電子釋放比質(zhì)子要早1 h。Xu等[31]還進一步分析了該SEP事件的質(zhì)子能譜，結(jié)合SOHO衛(wèi)星和LND數(shù)據(jù)，擬合了能量從幾百keV～20 MeV的質(zhì)子能譜；并用常用的破折冪律譜對其進行了擬合，發(fā)現(xiàn)能量拐點約為2.5 MeV。

圖14 粒子事件開始的時間和粒子能量的關系[31]Fig.14 The start time of the SEP event is related with the particle energy[31]

這次SEP事件起源于一個M1.0級耀斑。結(jié)合模型，Xu等[31]發(fā)現(xiàn)太陽源區(qū)距離地球的磁力線足點非常遠，超過110°。一般認為脈沖型SEP會處在磁場連接性比較好的位置，因為加速的粒子可很快有效地傳播至觀測點，形成一個脈沖型的時間曲線。但是這個事件完全不屬于經(jīng)典的范疇。原因可能跟日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動的激波有關。激波可以加速粒子，激波在向外傳播的過程中和地球的磁力線鏈接了起來。另外一種解釋是劇烈變化的磁場為粒子的傳輸搭建了一個臨時通道，完全不同大結(jié)構(gòu)的太陽勢場。但目前尚未有任何觀測能證實以上兩種解釋。

3 結(jié)束語

“嫦娥四號”首次在月面開展了能量中性原子和粒子輻射環(huán)境的探測：

1）相比于以往的遙測觀測，“嫦娥四號”測量的ENA反射率較高，通量向低能段（低于100 eV）聚集；太陽風能量在100～600 eV能段，ENA微分通量與太陽風參數(shù)如通量、密度及動壓呈正相關關系；月球地方時下午時段ENA的通量、截止能量和溫度均低于上午時段。

2）“嫦娥四號”觀測結(jié)合Hall MHD數(shù)值模擬，證明微磁層是造成不同地方時時段ENA差異的原因，但月球微磁層僅在太陽風離子慣性長度較?。ǎ?20 km）時才可形成?！版隙鹚奶枴痹谠旅娅@取了微磁層內(nèi)部的觀測證據(jù)，發(fā)現(xiàn)微磁層使到達月面的太陽風通量減小、速度降低，但部分太陽風質(zhì)子仍可穿透微磁層，穿透效率0.23～0.78，且正比于太陽風動壓。

3）“嫦娥四號”測量了月表的輻射總劑量率、中性粒子劑量率、帶電粒子劑量率以及穿透性粒子通量隨時間的變化，轉(zhuǎn)換為硅中的平均總劑量率為13.2±0.7 μGy/h，平均帶電粒子劑量率為10.2±0.9 μGy/h，中性粒子劑量率為3.1±0.5 μGy/h，中性粒子對總劑量率的貢獻為23%±8%。比對太陽平靜時期LND與近地航天器的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)LND的質(zhì)子、CNO能譜與近地航天器觀測一致，說明月表環(huán)境對宇宙線能譜沒有影響；但LND的質(zhì)子能譜與模型預測值有明顯差異，LND為模型改進提供了強約束。

目前ASAN和LND仍在月球背面正常工作，源源不斷地向地面輸送觀測數(shù)據(jù)。LND長期的觀測不僅可獲取更多事件的觀測資料，同時還可得到宇宙線和太陽風長期變化帶來的月表環(huán)境的變化；隨著“玉兔二號”的月面巡視，ASAN的觀測將實現(xiàn)更大的空間覆蓋，探尋ENA軌道器遙感與月球車原位觀測之間的關系，建立從月表到月球空間的環(huán)境整體圖像，為未來月球科研站建設提供空間環(huán)境信息參考。這些結(jié)果加深了人類對月表環(huán)境的認識。