從行星逃離的帶電粒子，可以是電離的行星大氣，也可以是被星體反射的太陽風，它們都是行星空間環境的重要組分。它們與超聲速背景太陽風的相互作用過程和效應是行星空間物理學研究的重要內容。文獻中，通常用“太陽風拾取”（Solar Wind Pickup）這一術語來描述這個過程：太陽風電場加速這些帶電粒子，並最終使得這些粒子隨著太陽風一起運動。從動量和能量守恆的角度看，通常認為這一個過程會使得局地的太陽風丟失動量/能量，速度降低，並使得隨太陽風一起運動的行星際磁場被擠壓從而引起局地磁場的增強。
由於月球背景空間環境和過程都極為簡單，月球與太陽風的相互場景為檢驗上述傳統觀點提供了天然的實驗室。中科院地質地球物理研究所張輝等的研究團隊詳細研究了月面反射的太陽風離子與背景太陽風的相互作用，發現太陽風拾取過程的主要效應並不是使得太陽風減速，而是使得太陽風擺動。這一進展為剖析“太陽風拾取”具體物理過程提供了新思路。由於火星、金星和水星均存在對電離大氣或星體反射離子的拾起過程，該研究結果對研究這些星體磁尾中磁場和等離子體的非對稱性結構具有參考意義。
月球是等離子體的良好吸收體，從磁流體的角度看，太陽風衝擊月球時，會被月球向陽面吸收，從而在月球背面形成等離子體空腔。月球又近似為絕緣體，行星際磁場可毫無阻礙地穿透月球進入到等離子體空腔中。此後，由於磁流體壓強平衡需要，周遭太陽風會逐步回填到等離子體空腔中。回填過程會稀疏周邊的行星際磁場，並擠壓空腔中部的磁場使其增強。這些全球尺度的等離子體和磁場擾動構成月球“尾跡”。無論從等離子體還是磁場看，研究者都沒有期待月球尾跡呈現關於太陽風的非對稱結構（見圖1）。
圖1 對稱尾跡中的等離子體（上圖）和磁場強度（下圖）分佈（Zhang et al., 2014）
本研究工作在透過建立與太陽風電場相關的新座標系來展示這些資料時，發現月球尾跡呈現明顯的蜿蜒曲折的非對稱性特徵（圖2）。進一步的磁場和等離子體分析表明，所有引數都表現出與電場相關的不對稱分佈，尤為重要的是，在電場所指向的尾跡側翼（圖3中每幅圖右側），每隔2個月球半徑的長度，這些參量都會被週期性地調製：磁場會週期性地增強和減弱（圖3a）；等離子體密度呈現跳躍性的增強（圖3b）；等離子體速度間歇性增強（圖3c）；等離子體溫度週期性升高（圖3d）。由於這些參量的空間週期大約為2個月球半徑，這與反射粒子迴旋週期內的電場漂移尺度相當（見圖3白/黑線所示太陽風反射離子運動軌跡），表明了它們之間的因果關係。
圖2 由磁場強度展示的蜿蜒曲折的月球尾跡結構
圖3 尾跡中磁場強度、等離子體密度、垂直速度和離子溫度的分佈。白/黑曲線為向陽面太陽風反射離子的漂移軌跡
分析表明，日側月球磁異常上反射的太陽風離子經歷電漂移和大半徑迴轉，可繞過月球星體，並週期性地進入尾翼。尾跡中等離子體溫度的週期性升高是反射離子週期性入侵尾跡的直接證據：當反射粒子進入尾跡時，由於迴旋相位的差異，可造成局地離子溫度的升高（圖3d）。在入侵期間，這些反射離子與回填太陽風等離子體透過電場作用在電場方向交換動量（圖4）：反射離子沿著（逆著）電場運動時，離子被加速（減速），太陽風背向（沿著）電場方向偏轉。這一過程導致回填太陽風速度在電場方向振盪（圖3c）。太陽風速度振盪偏轉，可週期性地壓縮和鬆弛尾跡中部區域，從而造成磁場（圖3a）和密度（圖3b）的週期性擾動。這些研究結果都表明電場方向是太陽風拾起過程的主要作用方向，而傳統認為的太陽風方向並不重要，這為研究太陽風拾起的具體物理機制提供了新的線索。
圖4 尾跡中回填太陽風與向陽面反射離子在電場作用下的動量交換過程
研究成果發表於國際學術期刊GRL (張輝*，鍾俊，張天馨，劉立波，曹晉濱，傅綏燕，魏勇，陳一定. A Meandering Lunar Wake Produced by the Pickup of Reflected Solar Wind Ions[J].Geophysical Research Letters, 2021, 48(24). DOI: 10.1029/2021GL096039)。本研究得到中科院B類先導專項(XDB41000000)和國家自然科學基金(41774175, 41941001, 41731068)等專案的資助。
美編：傅士旭
校對：覃華清
