科学家首次完成对火星空间太阳高能粒子事件的能谱构建

近日，中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、兰州空间技术物理研究所和德国基尔大学的科研人员利用中外高能粒子及辐射探测数据，结合火星大气粒子传输模拟，首次完整地构建了太阳高能粒子在火星空间的能谱。对火星空间辐射环境的监测具有重要意义。相关成果日前发表在国际权威学术期刊地球物理研究快报《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）上，并被该杂志选为当期封面文章。

太阳高能粒子事件（SPE）是由太阳爆发活动产生的最具破坏性的空间天气事件之一。太阳高能粒子事件期间，空间中的高能带电粒子会突然增强，可能对在轨航天器的安全运行和航天员的生命安全造成巨大威胁。和地球不同，火星由于没有全球磁场的保护且大气稀薄，使得其表面也易受这些高能带电粒子及其在火星大气中生成的次级粒子的影响。研究太阳高能粒子事件对火星空间的影响，对于未来火星探测任务中的防辐射工作非常重要。

在此之前，火星轨道上MAVEN卫星搭载的太阳高能粒子仪（Solar Energetic Particle Instrument,SEP）能够探测到能量在7MeV以下的质子通量。而如今MEPA探测器能够探测2-100MeV的质子的通量，极大程度地扩充了火星空间高能质子的能量监测范围，为本项研究提供了关键的数据支持。

2022年2月15日的SPE是“天问一号”环绕器进入火星科学任务轨道以来，首个能够在火星表面引起辐射剂量增强的事件。此事件在火星表面引发的辐射剂量被火星表面“好奇号”火星车上搭载的辐射评估探测器（Radiation Assessment Detector,RAD）完整地记录。本研究联合利用了多个探测器数据来构建完整的SPE质子能谱：火星轨道上的高能粒子探测器MANEN/SEP和MEPA测得了中低能段的质子能谱（20-100MeV）；而更高能段的质子通量是结合火星表面的“好奇号”火星车的数据和火星粒子传输模拟反演而得出。研究人员继而使用双幂律函数对上述观测和反演的能谱进行拟合，得到了此次SPE事件在火星空间的1-1000MeV之间的完整的质子能谱（图2）。研究又利用这一完整的SPE能谱计算了此次事件在火星轨道和火星表面引发的辐射剂量，得到的结果与轨道处的欧洲航天局的微量气体轨道飞行器（TGO）和火星表面的“好奇号”火星车（MSL）的实际测量值均定量相符。这一结果同时验证了MEPA数据的可靠性和火星辐射传输模型的精准性，结果可作为将来类似事件研究的比对参考。

本研究使用了火星处多个粒子和辐射探测器的观测数据，并结合了火星辐射传输模型，重构了火星空间完整的太阳高能粒子事件的质子能谱，加深了我们对火星空间辐射环境的理解，为未来类似事件研究提供了参考，同时凸显了在火星进行连续和协同辐射监测的必要性。

图1.2022年2月15日爆发的太阳高能粒子事件同时被中国的“天问一号”轨道器（Tianwen-1）、ESA的微量气体轨道飞行器（TGO）、NASA的火星大气和挥发性演化轨道器（MAVEN）以及火星表面的“好奇号”火星车（MSL）探测到。（GRL封面文章插图）

图2.观测的能谱和构建的2022年2月15日事件完整的质子能谱

上述成果近期发表在《地球物理研究快报》上，并被选为当期封面文章。研究受到中国科学院重点研究计划和战略重点项目（ZDBS-SSW-TLC00103，XDB41000000）和国家自然科学基金（42188101，42074222和42130204）等项目支持。论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生张建，通讯作者为中国科学技术大学郭静楠教授、中国科学院近代物理研究所的张永杰副研究员和孙志宇研究员以及兰州空间技术物理研究所的李存惠研究员。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2024GL111775