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近日，科學(xué)家首次構(gòu)建了火星空間完整的太陽高能粒子事件的質(zhì)子能譜，對火星空間輻射環(huán)境的監(jiān)測具有重要意義。相關(guān)成果發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《地球物理研究快報(bào)》（Geophysical Research Letters）上，并被該雜志選為當(dāng)期封面文章。

太陽高能粒子事件是由太陽爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的最具破壞性的空間天氣事件之一。事件發(fā)生期間，空間中的高能帶電粒子會(huì)突然增強(qiáng)，可能對在軌航天器和航天員的安全造成巨大威脅。與地球不同，火星由于缺少磁場保護(hù)且大氣稀薄，其表面更易受到高能粒子及其在火星大氣中生成的次級粒子的影響。研究太陽高能粒子事件對火星空間的影響，對未來火星探測任務(wù)中的防輻射工作具有重要影響。

2021年11月，我國研制的天問一號環(huán)繞器進(jìn)入火星科學(xué)任務(wù)軌道，其搭載的能量粒子分析儀（MEPA）開始探測火星空間的粒子通量。2022年2月15日，能量粒子分析儀觀測了一個(gè)流量和能量極高的太陽高能粒子事件，這也是我國科學(xué)家觀測到的首個(gè)在火星表面引起輻射劑量增強(qiáng)的事件。該事件同時(shí)被歐州航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）、美國航空航天局的火星大氣和揮發(fā)性演化軌道器（MAVEN）以及火星表面的好奇號火星車探測到。這是在火星空間首次有如此多的探測器同時(shí)探測到同一個(gè)太陽高能粒子事件。

此前，美國MAVEN軌道器搭載的太陽高能粒子儀僅能探測到能量在7MeV以下的質(zhì)子通量。而天問一號能量粒子分析儀能夠探測2-100MeV的質(zhì)子通量，極大地?cái)U(kuò)充了火星空間高能質(zhì)子的能量監(jiān)測范圍，為本項(xiàng)研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所和德國基爾大學(xué)的科研人員利用中外高能粒子及輻射探測數(shù)據(jù)，結(jié)合火星大氣粒子傳輸模擬，首次完整地構(gòu)建了太陽高能粒子在火星空間的能譜。

本研究使用了多個(gè)探測器數(shù)據(jù)來構(gòu)建相關(guān)質(zhì)子能譜。中低能段的質(zhì)子能譜由能量粒子分析儀和美國高能粒子儀提供。更高能段的的質(zhì)子通量是團(tuán)隊(duì)結(jié)合火星表面的輻射評估探測器和火星粒子傳輸模型模擬反演得到。研究團(tuán)隊(duì)通過對上述觀測和反演的能譜進(jìn)行擬合，得到了此次太陽高能粒子事件在火星空間1~1000MeV能量范圍內(nèi)的完整質(zhì)子能譜。

研究團(tuán)隊(duì)利用這一完整能譜計(jì)算了此次事件在火星軌道和火星表面引發(fā)的輻射劑量，得到的結(jié)果與軌道和表面實(shí)際測量值定量相符。這一結(jié)果驗(yàn)證了天問一號能量粒子分析儀數(shù)據(jù)的可靠性和火星輻射傳輸模型的精準(zhǔn)性。

該研究加深了人們對火星空間輻射環(huán)境的理解，為未來類似事件研究提供參考，同時(shí)凸顯了在火星進(jìn)行連續(xù)和協(xié)同輻射監(jiān)測的必要性。

圖 1：2022年2月15日太陽高能粒子事件同時(shí)被中國的天問一號軌道器（Tianwen-1）、歐州航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）、美國航空航天局的火星大氣和揮發(fā)性演化軌道器（MAVEN）以及火星表面的好奇號火星車（MSL）探測到。圖源/ Geophysical Research Letters封面

圖2：觀測的能譜和重構(gòu)的2022年2月15日太陽高能粒子事件1-1000MeV的質(zhì)子能譜 圖源/ Geophysical Research Letters

研究受到中國科學(xué)院重點(diǎn)研究計(jì)劃和戰(zhàn)略重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。論文第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生張建，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭靜楠教授、中國科學(xué)院近代物理研究所張永杰副研究員、孫志宇研究員和蘭州空間技術(shù)物理研究所李存惠研究員。

文章鏈接：https://doi.org/10.1029/2024GL111775

(放射性束物理室???供稿)