月球是距離地球最近的自然天體，也是人類深空探索的第一站。近年來，月球極區(qū)撞擊坑的永久陰影區(qū)可能存在水冰分布的觀點，成為國際月球探測和研究的熱點。然而，由于地形遮擋，極區(qū)撞擊坑附近的空間環(huán)境比較復雜。一方面一部分太陽風離子可通過雙極擴散進入陰影區(qū)內，形成迷你等離子尾跡結構，并通過濺射作用造成月面物質損失，形成局部氣體外逸層；另一方面，撞擊坑內可帶很強負電，并可能存在塵埃靜電噴泉活動，形成局部塵埃云。當前，由于尺度小且涉及復雜邊界，關于極區(qū)撞擊坑附近等離子體環(huán)境研究存在較多限制。理論模型方面，研究人員依據等離子體真空雙極擴散理論，建立了撞擊坑附近迷你尾跡的二維自相似擴散模型。然而，該模型需要滿足等離子體準電中性假設。這一假設在撞擊坑背風側離子無法到達的區(qū)域并不成立，因而無法正確描述該區(qū)域的凈電子分布特征。數值模擬方面，撞擊坑的尺度一般小于電子回旋半徑，需要通過靜電全粒子模型來模擬。靜電全粒子將電子和離子均當作粒子來處理，并通過求解線性泊松方程來計算表面充電及空間電勢分布。因此，靜電全粒子的計算效率較低。即使利用大型計算機，三維靜電全粒子模擬只能模擬德拜尺度問題。對于月面撞擊坑，科研人員只實現了米級撞擊坑周圍等離子體環(huán)境的三維靜電全粒子模擬。而真實月面存在許多公里級的撞擊坑，對月面空間環(huán)境與水分布的影響更大。因此，現有模型無法對公里級撞擊坑周圍的等離子體環(huán)境進行精確分析。近日，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室的科研人員等提出利用靜電混合粒子模擬方法以解決上述難題。該方法提出撞擊坑附近的電子近似滿足麥克斯韋分布，可以用靜電流體來處理，從而減少計算量。該研究通過求解非線性泊松方程，突破了傳統(tǒng)靜電PIC模型網格要小于德拜尺度的限制，可實現公里級撞擊坑的三維靜電PIC模擬。同時，該研究模擬了不同太陽風條件（密度、溫度和速度）、不同撞擊坑（深度和坡度）附近的等離子體環(huán)境，探討了不同因素的影響。模擬發(fā)現，由于地形遮擋太陽風離子不易進入到撞擊坑內，在撞擊坑的背風側存在密度空腔，且其離子密度可低于0.001 cm-3。然而，電子以熱運動為主，更易進入撞擊坑內，造成撞擊坑內帶負電，并在背風側形成凈電子區(qū)。同時，該靜電力反過來會阻礙電子和吸引離子進入撞擊坑，使得一部分離子會通過雙極擴散進入撞擊坑內，形成一個離子鋒面。計算發(fā)現，正常太陽風條件下，撞擊坑內的電勢可低于-60 V，約是太陽風電子溫度的4~5倍；雙極擴散的靜電場約為1mV/m，主要分布在離子鋒面附近。此外，太陽風的雙極擴散會帶來向外傳播的稀疏波。稀疏波波速近似等于太陽風離子聲速。由于太陽風流是超聲速的，因而該稀疏波會被限制在一個馬赫錐中。模擬發(fā)現，該馬赫錐可從撞擊坑的上游開始，且錐角約為8.8°。進入撞擊坑的太陽風離子可以通過濺射作用造成撞擊坑內物質的損失，因此需要計算撞擊坑內的太陽風通量。計算發(fā)現，約4%的太陽風通量可以達到撞擊坑的坑底，可造成6.4x108m-2s-1的水分子損失率。而在撞擊坑的迎風側，約18%的太陽風通量可打到坑壁，造成更顯著的濺射作用。同時，模擬結果會受到不同因素的影響。例如，更高的太陽風溫度會帶來更低的撞擊坑電勢以及更大的馬赫錐角。更深或更陡的撞擊坑會帶來更低的撞擊坑電勢以及密度更低的等離子體空腔等。這些模擬結果和理論預期是一致的。該模型給出了月球極區(qū)不同撞擊坑附近的等離子體和電勢分布，定量評估了太陽風離子濺射對極區(qū)永久陰影區(qū)造成的水損失率。研究提出，未來可結合蒙特卡洛模擬，來定量分析極區(qū)塵埃靜電噴泉活動及其對永久陰影區(qū)水的影響。同時，這一模型給出了月球極區(qū)空間環(huán)境的精確空間分布，為研究月球極區(qū)水含量及成因機制提供了新視角。相關研究成果發(fā)表在《地球物理學雜志：空間物理學》（JGR: Space Physics）上。論文鏈接公里級撞擊坑的三維靜電混合粒子模擬