近日，科學(xué)家首次構(gòu)建了火星空間完整的太陽(yáng)高能粒子事件的質(zhì)子能譜，對(duì)火星空間輻射環(huán)境的監(jiān)測(cè)具有重要意義。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)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(yáng)高能粒子事件是由太陽(yáng)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(duì)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(chǎng)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(jí)粒子的影響。研究太陽(yáng)高能粒子事件對(duì)火星空間的影響，對(duì)未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)中的防輻射工作具有重要影響。

2021年11月，我國(guó)研制的天問(wèn)一號(hào)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(kāi)始探測(cè)火星空間的粒子通量。2022年2月15日，能量粒子分析儀觀測(cè)了一個(gè)流量和能量極高的太陽(yáng)高能粒子事件，這也是我國(guó)科學(xué)家觀測(cè)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)被歐洲航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）、美國(guó)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(hào)火星車探測(cè)到。這是在火星空間首次有如此多的探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到同一個(gè)太陽(yáng)高能粒子事件。

此前，美國(guó)MAVEN軌道器搭載的太陽(yáng)高能粒子儀僅能探測(cè)到能量在7MeV以下的質(zhì)子通量。而天問(wèn)一號(hào)能量粒子分析儀能夠探測(cè)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(cè)范圍，為本項(xiàng)研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)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(guó)基爾大學(xué)的科研人員利用中外高能粒子及輻射探測(cè)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(yáng)高能粒子在火星空間的能譜。

本研究使用了多個(gè)探測(cè)器數(shù)據(jù)來(lái)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(guó)高能粒子儀提供。更高能段的質(zhì)子通量是團(tuán)隊(duì)結(jié)合火星表面的輻射評(píng)估探測(cè)器和火星粒子傳輸模型模擬反演得到。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)上述觀測(cè)和反演的能譜進(jìn)行擬合，得到了此次太陽(yáng)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(cè)量值定量相符。這一結(jié)果驗(yàn)證了天問(wèn)一號(hào)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(duì)火星空間輻射環(huán)境的理解，為未來(lái)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(cè)的必要性?！?/span>

圖　1：2022年2月15日太陽(yáng)高能粒子事件同時(shí)被中國(guó)的天問(wèn)一號(hào)軌道器（Tianwen－1）、歐洲航天局的微量氣體軌道飛行器（TGO）、美國(guó)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(hào)火星車（MSL）探測(cè)到。圖源／　Geophysical　Research　Letters封面

圖2：觀測(cè)的能譜和重構(gòu)的2022年2月15日太陽(yáng)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(guó)科學(xué)院重點(diǎn)研究計(jì)劃和戰(zhàn)略重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生張建，通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭靜楠教授、中國(guó)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