作者:闫岩 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/9/18 9:32:04
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嫦娥三号中秋节前再添新成果

 

每次当我打开微信的时候,心头都会为之一震。一个孩子站在月球上远远的凝望着我们的地球母亲(地球照片应该取自阿波罗17号的拍摄),这不正和我们嫦娥三号上面的极紫外相机有着某种异曲同工之妙吗?

嫦娥三号

嫦娥工程,即中国月球及深空探测工程,是我国空间探测史上具有里程碑意义的一项世纪工程。在嫦娥工程二期的计划里,嫦娥三号探测器是其重要一环。嫦娥三号在北京时间2013年12月2日凌晨发射于地处四川省凉山彝族自治州的西昌卫星发射中心,在经过多重变轨之后,于2013年12月14日晚在月表虹湾附近成功实施软着陆,具体落月坐标为(44.12°N, 19.51°W),现在该地点已经被官方命名为“广寒宫”。嫦娥三号探测器作为一个综合科学组件,上面搭载了多种科学探测仪器,而其中,极紫外相机(Extreme UltraViolet Camera)是在月球上回眸地球母亲的一个科学利器。

极紫外相机的工作原理

现在单反数码相机早已在千家万户中普及开来,而小的摄像头更是智能手机的标配,几乎人手一个,随走随拍。我们的极紫外相机本质上也是一个在极紫外波段,更准确些说是在30.4nm波段附近,对地球等离子体层成像的小照相机。不过和普通相机不太一样的是,我们的极紫外相机的图像传感器件并不是用的日常相机的CCD或者CMOS,而是MCP(MicroChannel Plate)微通道板,有点类似于户外驴友经常使用的微光成像器材,因为等离子体层散射出的极紫外辐射实在是太微弱了。而且为了实现较小的体积(空间设备限制)和较大的视场(因为地球等离子层具有数倍于地球半径的空间尺度),极紫外相机采用了球面反射镜的光学设计。根据发射前的校准测试,其视场可以达到14.7°,而角分辨率可以达到0.08°。

什么是等离子体层?

等离子体层是地球磁层中一个圆环状区域,一般认为在其中充满了被地球磁力线束缚住的,温度较低,而且致密的离子,包括H+(80%),He+(10-20%) O+(5-10%)。这个圆环状结构,有点类似于我们平时吃的“多纳圈”,如果从俯视的角度来看,差不多是环形,而如果从侧面的角度来看的话,差不多就是双卵型结构了。一般认为,等离子体层是地球电离层在更高高度上的延续。

在20世纪60年代以前,人们普遍认为在电离层外,等离子体的密度迅速陡落。但是随着哨声波的观测开始,人们逐渐意识到在电离层之上,存在着一个较为致密的等离子体层。从此之后,关于等离子体层的研究逐渐兴起。但是,从60年代以来的研究往往都是采取局部的探测研究,虽然得到了大量的关于等离子体层的量化信息,但是始终没有从整体上对其有一个全面的认识。随着光学技术的发展,对等离子体层的成像解决了这个问题。美国的磁层顶-极光全球探索者卫星上面的极紫外成像仪首先从俯视的角度对地球等离子体层进行了整体成像,并从其图像中,发现了很多新结构。这个“多纳圈”不仅仅是圆环形结构,还有许多细微的结构特征,比如羽,槽,肩,手指,通道和齿轮状结构。而且这个多纳圈会在地磁变化的时候,呈现出各种不同的形状来。当发生地磁暴的时候,多纳圈很快就被咬了一口,在背对太阳一侧出现缺失,但是地磁恢复到正常水平之后,这个多纳圈缺失的一块又被下面的电离层缓缓填充成最初完整的样子。这个多纳圈作坊就是在地磁变化的时候,不断的重复着吃掉和补齐的工作。但是,极紫外成像仪只对其俯视成像,我们也需要从侧视方向对其成像,看看除了吃掉和补齐之外,还有没有其他现象发生。后来,日本的月亮女神发射升空,其自带的极紫外望远镜对地球等离子体层进行侧视成像。可惜的是,由于其在发射时造成巨大冲击,致使相机出现严重损坏,成像质量受到很大影响。

嫦娥三号极紫外相机的等离子体层图像

由于嫦娥三号在月球表面软着陆成功,极紫外相机随着月球的公转对地球等离子体层侧视方向进行定点观测。分辨率约为0.1个地球半径,时间采样率约为10分钟。从2013年12月25日开始,积累了大量的等离子体层侧面的观测资料。极紫外相机的数据由探月工程地面应用系统负责获取和发布。嫦娥三号极紫外相机科学团队在经过大量的讨论和前期准备工作后,对科学数据进行了初步分析,数据质量得到了国际同行的认可。

除了能显示出等离子体层应该存在的双卵型结构之外,我们还利用一次磁层亚暴期间的数据,发现了等离子体层存在的三个明显的凸起结构,这相当于这个多纳圈在某些部位变胖了。这种凸起结构分别经过地球午夜位置的时间,与三次磁层亚暴发生的时间相一致。与地磁暴引起等离子体层刻蚀不同,肇始于地球夜侧的磁层亚暴会在午夜区域造成其局部位型的快速膨胀。在经过动态全球核心等离子体层模式模拟后,嫦娥三号极紫外相机的观测现象也得到了重现。所以,嫦娥三号这一观测结果改变了以往认为地磁活动只引起地球等离子体层刻蚀的观点。也就是说,多纳圈不仅在地磁活动时,被大大的咬去一口,而且也会在某些部位变胖一些。这个重要科学成果在线发表在最新一期的《科学报告》上。

 
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