科学家首次完整构建火星空间太阳高能粒子能谱

近日，科学家首次构建了火星空间完整的太阳高能粒子事件的质子能谱，对火星空间辐射环境的监测具有重要意义。相关成果发表在国际权威学术期刊《地球物理研究快报》上，并被该杂志选为当期封面文章。

太阳高能粒子事件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。事件发生期间，空间中的高能带电粒子会突然增强，可能对在轨航天器和航天员的安全造成巨大威胁。与地球不同，火星由于缺少磁场保护且大气稀薄，其表面更易受到高能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，对未来火星探测任务中的防辐射工作具有重要影响。

2021年11月，我国研制的天问一号环绕器进入火星科学任务轨道，其搭载的能量粒子分析仪（MEPA）开始探测火星空间的粒子通量。2022年2月15日，能量粒子分析仪观测了一个流量和能量极高的太阳高能粒子事件，这也是我国科学家观测到的首个在火星表面引起辐射剂量增强的事件。该事件同时被欧州航天局的微量气体轨道飞行器（TGO）、美国航空航天局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探测到。这是在火星空间首次有如此多的探测器同时探测到同一个太阳高能粒子事件。

此前，美国MAVEN轨道器搭载的太阳高能粒子仪仅能探测到能量在7MeV以下的质子通量。而天问一号能量粒子分析仪能够探测2-100MeV的质子通量，极大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数据支持。

来自中国科学技术大学、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。

本研究使用了多个探测器数据来构建相关质子能谱。中低能段的质子能谱由能量粒子分析仪和美国高能粒子仪提供。更高能段的的质子通量是团队结合火星表面的辐射评估探测器和火星粒子传输模型模拟反演得到。研究团队通过对上述观测和反演的能谱进行拟合，得到了此次太阳高能粒子事件在火星空间1~1000MeV能量范围内的完整质子能谱。

研究团队利用这一完整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，得到的结果与轨道和表面实际测量值定量相符。这一结果验证了天问一号能量粒子分析仪数据的可靠性和火星辐射传输模型的精准性。

该研究加深了人们对火星空间辐射环境的理解，为未来类似事件研究提供参考，同时凸显了在火星进行连续和协同辐射监测的必要性。

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

2022年2月15日太阳高能粒子事件同时被中国的天问一号轨道器（Tianwen-1）、欧州航天局的微量气体轨道飞行器（TGO）、美国航空航天局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。 图：Geophysical Research Letters封面