來(lái)源：中科院之聲

2019年1月3日10時(shí)26分，嫦娥四號(hào)探測(cè)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(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器首次在月球背面軟著陸。嫦娥四號(hào)攜帶了大量先進(jìn)的探測(cè)儀器，這些儀器中除了大家比較熟悉的各種相機(jī)，還包括幾臺(tái)能用于空間環(huán)境探測(cè)的儀器。今天，我們就來(lái)給大家說(shuō)一說(shuō)這些特別的儀器和它們要觀測(cè)的物理現(xiàn)象。

月表中子與輻射劑量探測(cè)儀

人類對(duì)太空的探索活動(dòng)始終面臨高能輻射的威脅，1958年，美國(guó)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?。薄＝?jīng)過(guò)幾十年的探測(cè)研究，人們對(duì)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(méi)有稠密的大氣，磁場(chǎng)也十分微弱，因此太空中的宇宙射線會(huì)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(huì)釋放出中子、γ射線等具有強(qiáng)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(duì)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(hào)上攜帶的月表中子與輻射劑量探測(cè)儀，由中國(guó)和德國(guó)聯(lián)合研制，安裝在著陸器上，不僅能探測(cè)著陸區(qū)的中子和輻射劑量，還能探測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的質(zhì)子、電子和α粒子。該探測(cè)儀有助于科學(xué)家們對(duì)月表輻射環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，為未來(lái)載人登月及月球基地的輻射防護(hù)提供依據(jù)，同時(shí)，該儀器能夠直接探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的能量粒子，用于研究太陽(yáng)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(cè)儀

低頻射電頻譜儀

所謂射電其實(shí)就是常見(jiàn)的無(wú)線電波，我們?cè)诩依锞湍軌蛴枚滩ㄊ找魴C(jī)收聽(tīng)到非常遙遠(yuǎn)的地方、甚至地球另一端發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)，是因?yàn)樵诘厍虼髿馍蠈樱?0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(huì)反射或吸收頻率較低的無(wú)線電，短波信號(hào)可以在電離層與大地之間來(lái)回反射，從而傳播很遠(yuǎn)的距離。

圖3 電離層與無(wú)線電傳播示意圖

電離層雖然能夠給地球帶來(lái)通信的便利，卻也阻斷了電離層外的低頻無(wú)線電向地面的傳播。來(lái)自太陽(yáng)及其它宇宙天體發(fā)出的低頻電磁波信號(hào)被地球電離層遮擋，無(wú)法抵達(dá)地球地面，要探測(cè)它們只能在太空環(huán)境中進(jìn)行，而月球背面由于阻擋了來(lái)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(cè)位置。

嫦娥四號(hào)任務(wù)中的低頻射電探測(cè)儀有兩臺(tái)，一臺(tái)由中國(guó)獨(dú)立研制，安裝在嫦娥四號(hào)著陸器上（圖4），另一臺(tái)由中國(guó)和荷蘭聯(lián)合研制，安裝在中繼星“鵲橋”號(hào)上（圖5）。兩臺(tái)設(shè)備互相配合，可以對(duì)太陽(yáng)、地月空間及宇宙天體的各種射電現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)和研究，尤其是太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)，利用低頻射電觀測(cè)，可以觀測(cè)并且追蹤太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的整個(gè)過(guò)程，這對(duì)研究日地空間的天氣效應(yīng)，構(gòu)建模型預(yù)報(bào)太陽(yáng)災(zāi)害事件等有很大幫助。

圖4 嫦娥四號(hào)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(cè)儀

月表中性原子探測(cè)儀

太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)。由于月球沒(méi)有磁場(chǎng)、大氣層的保護(hù)，太陽(yáng)風(fēng)能夠直接“吹”到月球表面上，太陽(yáng)風(fēng)中的質(zhì)子和離子作用到月壤表面會(huì)反射和濺射出能量中性原子（energetic neutral atom，簡(jiǎn)稱ena）和其他粒子。同時(shí)，光照會(huì)導(dǎo)致月表充正電荷，等離子體會(huì)導(dǎo)致月表充負(fù)電，在月面陰陽(yáng)交界處?kù)o電力會(huì)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）?？茖W(xué)家需要搞清楚月球逃逸層形成過(guò)程中各種機(jī)制的作用大小，這對(duì)于研究太陽(yáng)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(hào)攜帶的月表中性原子探測(cè)儀，由中國(guó)和瑞典聯(lián)合研制，安裝在月球車“玉兔”二號(hào)上，用來(lái)測(cè)量太陽(yáng)風(fēng)和月表相互作用之后產(chǎn)生的中性原子。過(guò)去人類對(duì)月球中性原子的探測(cè)都是在環(huán)月軌道或地面上開(kāi)展的，嫦娥四號(hào)將在月表巡視區(qū)直接測(cè)量中性原子，可以說(shuō)是人類探月史上首次在月表開(kāi)展中性原子探測(cè)。

圖7 月表中性原子探測(cè)儀

預(yù)報(bào)中心為嫦娥四號(hào)任務(wù)保駕護(hù)航

對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行探測(cè)研究是嫦娥四號(hào)任務(wù)重要的科學(xué)目標(biāo)之一。但嫦娥四號(hào)攜帶的這些先進(jìn)的探測(cè)儀器及嫦娥四號(hào)本身都面臨惡劣空間環(huán)境的威脅，而針對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)等活動(dòng)的探測(cè)也需要空間環(huán)境預(yù)報(bào)的支持，中科院空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心將持續(xù)為嫦娥四號(hào)任務(wù)提供及時(shí)準(zhǔn)確的空間環(huán)境預(yù)報(bào)信息，為嫦娥四號(hào)任務(wù)保駕護(hù)航。