嫦娥四號上的空間環(huán)境探測儀器

來源：中科院之聲

2019年1月3日10時26分，嫦娥四號探測器自主著陸在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮?卡門撞擊坑內(nèi)，實現(xiàn)了人類探測器首次在月球背面軟著陸。嫦娥四號攜帶了大量先進的探測儀器，這些儀器中除了大家比較熟悉的各種相機，還包括幾臺能用于空間環(huán)境探測的儀器。今天，我們就來給大家說一說這些特別的儀器和它們要觀測的物理現(xiàn)象。

月表中子與輻射劑量探測儀

人類對太空的探索活動始終面臨高能輻射的威脅，1958年，美國的第一顆人造衛(wèi)星—explorer i衛(wèi)星研究組的ernie ray就發(fā)出了這樣的感嘆：“my god， space is radioactive?。ㄌ炷?，太空居然是放射性的！）”。經(jīng)過幾十年的探測研究，人們對地球附近的高能輻射環(huán)境已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)牧私?，但月球表面的輻射環(huán)境與地球附近的輻射環(huán)境有很大的不同，月球表面沒有稠密的大氣，磁場也十分微弱，因此太空中的宇宙射線會直接轟擊月表的巖石和月壤，宇宙線粒子與月表物質(zhì)發(fā)生核反應(yīng)會釋放出中子、γ射線等具有強穿透力的粒子，尤其是中子，其輻射品質(zhì)因子高于質(zhì)子、電子和光子，對航天員具有很大的危害性。

圖1 月表輻射環(huán)境示意圖（作者自繪）

嫦娥四號上攜帶的月表中子與輻射劑量探測儀，由中國和德國聯(lián)合研制，安裝在著陸器上，不僅能探測著陸區(qū)的中子和輻射劑量，還能探測太陽爆發(fā)產(chǎn)生的質(zhì)子、電子和α粒子。該探測儀有助于科學(xué)家們對月表輻射環(huán)境進行評估，為未來載人登月及月球基地的輻射防護提供依據(jù)，同時，該儀器能夠直接探測到來自太陽的能量粒子，用于研究太陽風(fēng)暴的起因、高能粒子傳播規(guī)律等。

圖2月表中子與輻射劑量探測儀

低頻射電頻譜儀

所謂射電其實就是常見的無線電波，我們在家里就能夠用短波收音機收聽到非常遙遠(yuǎn)的地方、甚至地球另一端發(fā)出的無線電信號，是因為在地球大氣上層（60公里以上）存在電離層，電離層中的大氣處于部分電離和完全電離狀態(tài)，會反射或吸收頻率較低的無線電，短波信號可以在電離層與大地之間來回反射，從而傳播很遠(yuǎn)的距離。

圖3 電離層與無線電傳播示意圖

電離層雖然能夠給地球帶來通信的便利，卻也阻斷了電離層外的低頻無線電向地面的傳播。來自太陽及其它宇宙天體發(fā)出的低頻電磁波信號被地球電離層遮擋，無法抵達(dá)地球地面，要探測它們只能在太空環(huán)境中進行，而月球背面由于阻擋了來自地球的各種天然及人工電磁輻射干擾，這里的電磁環(huán)境非常干凈，是非常理想的低頻射電觀測位置。

嫦娥四號任務(wù)中的低頻射電探測儀有兩臺，一臺由中國獨立研制，安裝在嫦娥四號著陸器上（圖4），另一臺由中國和荷蘭聯(lián)合研制，安裝在中繼星“鵲橋”號上（圖5）。兩臺設(shè)備互相配合，可以對太陽、地月空間及宇宙天體的各種射電現(xiàn)象進行觀測和研究，尤其是太陽爆發(fā)時，利用低頻射電觀測，可以觀測并且追蹤太陽爆發(fā)活動的整個過程，這對研究日地空間的天氣效應(yīng)，構(gòu)建模型預(yù)報太陽災(zāi)害事件等有很大幫助。

圖4 嫦娥四號著陸器上的低頻射電頻譜儀

圖5 中繼星“鵲橋”上的低頻射電探測儀

月表中性原子探測儀

太陽持續(xù)不斷的向四面八方“吹”出超聲速帶電粒子流，被稱為太陽風(fēng)。由于月球沒有磁場、大氣層的保護，太陽風(fēng)能夠直接“吹”到月球表面上，太陽風(fēng)中的質(zhì)子和離子作用到月壤表面會反射和濺射出能量中性原子（energetic neutral atom，簡稱ena）和其他粒子。同時，光照會導(dǎo)致月表充正電荷，等離子體會導(dǎo)致月表充負(fù)電，在月面陰陽交界處靜電力會拋起月塵，所有這些拋出、濺射和反射出的物質(zhì)組成了月球的逃逸層（圖6）。科學(xué)家需要搞清楚月球逃逸層形成過程中各種機制的作用大小，這對于研究太陽系中許多與月球類似的星體（如水星、小行星等）具有重要意義。

圖6 月球逃逸層示意圖（作者自繪）

嫦娥四號攜帶的月表中性原子探測儀，由中國和瑞典聯(lián)合研制，安裝在月球車“玉兔”二號上，用來測量太陽風(fēng)和月表相互作用之后產(chǎn)生的中性原子。過去人類對月球中性原子的探測都是在環(huán)月軌道或地面上開展的，嫦娥四號將在月表巡視區(qū)直接測量中性原子，可以說是人類探月史上首次在月表開展中性原子探測。

圖7 月表中性原子探測儀

預(yù)報中心為嫦娥四號任務(wù)保駕護航

對空間環(huán)境進行探測研究是嫦娥四號任務(wù)重要的科學(xué)目標(biāo)之一。但嫦娥四號攜帶的這些先進的探測儀器及嫦娥四號本身都面臨惡劣空間環(huán)境的威脅，而針對太陽爆發(fā)等活動的探測也需要空間環(huán)境預(yù)報的支持，中科院空間環(huán)境預(yù)報中心將持續(xù)為嫦娥四號任務(wù)提供及時準(zhǔn)確的空間環(huán)境預(yù)報信息，為嫦娥四號任務(wù)保駕護航。