火星表面環(huán)境分析

趙志萍，趙陽(yáng)東

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所飛行器總體部，上海201109)

從1958年美國(guó)和前蘇聯(lián)啟動(dòng)探月計(jì)劃開(kāi)始，世界發(fā)達(dá)國(guó)家和航天技術(shù)大國(guó)都先后開(kāi)展了多種類(lèi)型的深空探測(cè)活動(dòng)，成為人類(lèi)了解地球、太陽(yáng)系和宇宙的一個(gè)重要手段。隨著航天科技和空間科學(xué)的發(fā)展，人類(lèi)考察、勘探和定居太陽(yáng)系其他星體的夢(mèng)想正在逐步成為現(xiàn)實(shí)。深空探測(cè)的目的通常包括觀(guān)測(cè)、勘探和深入研究三個(gè)不同的階段。通過(guò)深空探測(cè)，可以幫助人類(lèi)了解太陽(yáng)系及宇宙的起源、演變和現(xiàn)狀，研究地球環(huán)境的形成和演變，認(rèn)識(shí)空間現(xiàn)象和地球自然系統(tǒng)之間的關(guān)系。深空探測(cè)形成的成果，可以成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然、利用自然、發(fā)展自然的重要手段?；鹦潜还J(rèn)為是太陽(yáng)系中和地球最為相像的衛(wèi)星，1960年10月10號(hào)前蘇聯(lián)閃電號(hào)火星探測(cè)器載著人類(lèi)探測(cè)火星的夢(mèng)想點(diǎn)火起飛，雖然未能進(jìn)入地球軌道就以失敗告終，但卻掀起了人類(lèi)探測(cè)火星的大幕。無(wú)論從當(dāng)前還是長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)火星的探測(cè)和對(duì)火星資源的開(kāi)發(fā)利用都具有十分重要的戰(zhàn)略意義和科學(xué)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 火星磁場(chǎng)

火星上稀薄大氣中的中性成分在太陽(yáng)極紫外輻射或高能沉降電子的作用下產(chǎn)生電離，便形成了電離層。觀(guān)測(cè)表明，火星全球性的固有磁場(chǎng)很小(約小于5 nT)［1］。因此，在高速太陽(yáng)風(fēng)等離子體中，火星就像一個(gè)導(dǎo)電的球體，導(dǎo)電的電離層處在運(yùn)動(dòng)著的太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)中，電離層內(nèi)產(chǎn)生電流，電流又形成感應(yīng)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)使得太陽(yáng)風(fēng)等離子體和行星際磁場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入火星表面附近幾百公里的范圍內(nèi)。太陽(yáng)風(fēng)遇到障礙后，減速并產(chǎn)生方向偏轉(zhuǎn)，在行星的上游形成一個(gè)弓激波，在激波與電離層之間形成一個(gè)區(qū)域，即磁鞘，如圖1所示。由于火星全球性固有磁場(chǎng)很小，因此火星和太陽(yáng)風(fēng)的相互作用過(guò)程與地球和太陽(yáng)風(fēng)相互作用有很大的不同。火星與太陽(yáng)風(fēng)相互作用形成感應(yīng)磁層無(wú)論是從尺度或結(jié)構(gòu)上都與地球磁層有著根本性的區(qū)別。和地球一樣，火星附近的磁場(chǎng)分布對(duì)火星附近的粒子分布起著關(guān)鍵的作用。因此，研究火星磁場(chǎng)對(duì)于火星探測(cè)具有重要的意義。

圖1 火星磁場(chǎng)示意圖

2 空間輻射環(huán)境

在火星環(huán)境的危害中，最嚴(yán)重的是輻射危害。航天員在飛往火星的旅途中可能遇到兩種輻射:一種是銀河宇宙輻射;另一種是太陽(yáng)粒子輻射。此外如果火星飛船使用的是核動(dòng)力火箭，這就成為第三種輻射源。銀河宇宙輻射來(lái)源于銀河系，是一種高能帶電粒子流。粒子的能量可以高達(dá)1 020 eV，平均粒子通量為2.5 Particles/(cm2·s)。銀河宇宙輻射的粒子由于能量高，具有很強(qiáng)的貫穿能力，因此比較難防護(hù)。這種粒子的主要成分是質(zhì)子(約占85%)、α粒子(約占13%)以及原子序數(shù)大于2的元素的原子核(約占2%)［2］。在原子序數(shù)大于2的原子核中，有一類(lèi)稱(chēng)為高能重粒子，不僅原子序數(shù)大，而且能量極高，在銀河宇宙線(xiàn)中危害最大。它不僅能穿透載人飛船座艙的艙壁，而且擊中人體后能引起組織器官的嚴(yán)重?fù)p傷。當(dāng)太陽(yáng)表面出現(xiàn)大耀斑時(shí)，常伴有大量高能帶電粒子發(fā)射出來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為太陽(yáng)質(zhì)子事件。由于太陽(yáng)質(zhì)子事件的輻射能量很高，對(duì)航天員有很大的危險(xiǎn)性，因此是載人火星探測(cè)的重要危害因素之一。太陽(yáng)質(zhì)子事件發(fā)射的帶電粒子絕大多數(shù)是質(zhì)子，其次是α粒子，原子序數(shù)大于3的粒子很少。有些太陽(yáng)質(zhì)子事件中觀(guān)測(cè)到碳、氮和氧的重核，數(shù)量?jī)H為α粒子的1/6。另外還可以觀(guān)測(cè)到原子序數(shù)為22～30的超重核，不過(guò)數(shù)量更少。在太陽(yáng)活動(dòng)高的年份，發(fā)生太陽(yáng)質(zhì)子事件的可能性較大。因此根據(jù)太陽(yáng)活動(dòng)周期，可對(duì)太陽(yáng)質(zhì)子事件作一定程度的預(yù)測(cè)。

太陽(yáng)系中的高能電離輻射環(huán)境主要包括3個(gè)方面:輻射帶、銀河宇宙射線(xiàn)和太陽(yáng)高能粒子。長(zhǎng)時(shí)間電離輻射環(huán)境防護(hù)是未來(lái)火星探測(cè)的重要任務(wù)。歐洲航天局在火星高能輻射環(huán)境模型項(xiàng)目的背景下，建立了兩種模型用來(lái)預(yù)測(cè)火星高能輻射環(huán)境為以后的火星探測(cè)任務(wù)參考?；鹦歉吣芰Ｗ虞椛洵h(huán)境模型，MEREM，就是為了模擬火星的輻射環(huán)境而發(fā)展起來(lái)的。EMEREM(The Engineering Martian Energetic Radiation Environment Model)和dMEREM(detailed MartianEnergetic Radiation Environment Model)模型分別是簡(jiǎn)化和細(xì)化的火星環(huán)境模型，它們是在Geant4和FLUKA輻射傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合火星大氣的氣候環(huán)境模型而建立的。MOLA(火星探測(cè)激光測(cè)高器)數(shù)據(jù)和γ射線(xiàn)分光儀數(shù)據(jù)分別被用來(lái)定義火星表面的布局和表面構(gòu)圖。dMEREM模型運(yùn)用了和MarsREC和PLANETOCOSMICS相似的蒙特卡羅輻射分析原理。dMEREM模型可以建立逼真的火星環(huán)境模型，但計(jì)算速度比較慢。eMEREM運(yùn)用了被QARM［3］所證實(shí)的模型建立方法，通過(guò)前處理器計(jì)算高能單粒子和阿爾法粒子在火星表面的屏蔽效應(yīng)。

衛(wèi)星遙感探測(cè)顯示火星南半球是古老的玄武巖高地，而北半球是新生的安山巖腹地。腹地形成的原因主要是隕石轟擊、火山爆發(fā)或者北半球曾經(jīng)是海洋［4］?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，火星上的氫元素是以冰態(tài)水形式存在于火星地表下的凍土中。同時(shí)根據(jù)火星衛(wèi)星測(cè)控，在火星北極越到極地氫元素的含量越高，因此推斷火星北極區(qū)域可能含有大量的冰凍水。有關(guān)氫元素含量情況的跟蹤分析表明，火星北極緯度55°到極地的區(qū)域含有氫化物。在火星赤道附近也發(fā)現(xiàn)了低濃度的氫化物，預(yù)計(jì)赤道附近的冰凍水將占整個(gè)火星冰凍水的2%～10%。此外，火星可能還有兩處較大的冰凍水源，一處火星上的沙漠地帶，另一處是在火星地表之下。

根據(jù)dMEREM模型，選取坐標(biāo)為緯度為0°，經(jīng)度也為0°，估算到此位置的土壤組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 5.3%的水，17.9%Fe2O3，44.6%SiO2，土壤密度為1.83 g/cm3。圖2顯示了此位置輻照環(huán)境 粒子的組成及通量［5］。

圖2 給定位置的全輻照粒子通量圖

根據(jù)dMEREM模型估算出太陽(yáng)活動(dòng)最小和最大時(shí)的火星表面質(zhì)子和α粒子的劑量當(dāng)量，但太陽(yáng)活動(dòng)最小時(shí)模型的估計(jì)量比現(xiàn)實(shí)的大約2.2倍。De Angelis也利用它們的模型估算了火星表面的劑量［5］，太陽(yáng)活動(dòng)最大時(shí)為33.4 Sv/h，太陽(yáng)活動(dòng)最小時(shí)為13.6 Sv/h。兩個(gè)模型的估算結(jié)果很相似，得到了相互印證。dMEREM模型數(shù)據(jù)沒(méi)有考慮到GCR粒子的貢獻(xiàn)，只是單單的運(yùn)用α粒子代替，因而只能反應(yīng)一部分能量。

3 火星氣候環(huán)境

法國(guó)研究中心和英國(guó)牛津大學(xué)在歐洲航天局的支持下，建成了火星氣候環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)(MCDMars Climate Database)，數(shù)據(jù)庫(kù)采自全仿真的試驗(yàn)特征函數(shù)，可以為火星探測(cè)任務(wù)提供氣候環(huán)境的數(shù)據(jù)。和先前火星探測(cè)器采集的數(shù)據(jù)相比，MCD擁有逼真的仿真數(shù)據(jù)，是火星科學(xué)研究必不可少的工具。

MCD主要的參數(shù)有氣候溫度、帶狀風(fēng)速(緯度方向)、子午風(fēng)速(經(jīng)度方向)、大氣密度、湍流動(dòng)能、表面壓強(qiáng)、表面發(fā)射率以及二氧化碳冰覆蓋率等。數(shù)據(jù)庫(kù)為了方便統(tǒng)計(jì)將火星一年分為12個(gè)季節(jié)，將火星表面劃分為許多小格。

在火星探測(cè)器海盜號(hào)任務(wù)期間，兩個(gè)登陸器登陸火星北半球，收集了許多火星氣候的資料。圖3(下線(xiàn)為海盜一號(hào)，上線(xiàn)為海盜二號(hào)，突然跳躍的壓強(qiáng)由于塵暴使之在280°時(shí)停止)為海盜1號(hào)和2號(hào)在登陸火星后一個(gè)火星年內(nèi)所收集的火星平均表面壓強(qiáng)［6］。海盜一號(hào)登陸坐標(biāo)為北緯22°西經(jīng)48°，海盜二號(hào)的登陸地點(diǎn)為北緯48°西經(jīng)22.6°。表面壓強(qiáng)季節(jié)周期變化很大程度上是因?yàn)镃O2的凝結(jié)和升華造成的，盡管也有動(dòng)力學(xué)的成分［7］，但高頻振動(dòng)是由于氣體穿過(guò)登陸器而引起的［8－10］。圖4(下線(xiàn)為海盜一號(hào)，上線(xiàn)為海盜二號(hào))是火星氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(MCD)根據(jù)氣候的主要影響因素模擬海盜號(hào)的一個(gè)火星年內(nèi)平均的火星表面壓強(qiáng)圖，預(yù)測(cè)的差異是由于MCD中氣候環(huán)境規(guī)律是一成不變的，沒(méi)有按照隨機(jī)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行預(yù)估。但整體而言火星氣候環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)的模擬效果良好，對(duì)登陸火星有一定的參考價(jià)值。

圖3 火星表面一個(gè)火星年壓強(qiáng)圖

圖4 火星氣候數(shù)據(jù)庫(kù)模擬的一年內(nèi)觀(guān)測(cè)到的火星表面壓強(qiáng)圖

對(duì)于火星表面溫度的觀(guān)測(cè)一方面是來(lái)自火星衛(wèi)星的直接測(cè)量，另一方面則是來(lái)自地球衛(wèi)星的遙測(cè)。圖5和圖6(實(shí)線(xiàn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，虛線(xiàn)為模擬數(shù)據(jù))為海盜號(hào)登錄后測(cè)量的火星表面溫度［11］和MCD模擬的海盜號(hào)登陸后的溫度數(shù)據(jù)。海盜一號(hào)登陸坐標(biāo)為北緯22°西經(jīng)48°，海盜二號(hào)的登陸地點(diǎn)為北緯48°西經(jīng)22.6°。

圖5 海盜一號(hào)實(shí)測(cè)和MCD模擬的溫度數(shù)據(jù)圖

圖6 海盜二號(hào)實(shí)測(cè)和MCD模擬的溫度數(shù)據(jù)圖

通過(guò)海盜一號(hào)和二號(hào)實(shí)際采集的火星表面壓強(qiáng)和溫度數(shù)據(jù)可以實(shí)際指導(dǎo)火星探測(cè)計(jì)劃的方案，但由于火星探測(cè)器的數(shù)量以及采集數(shù)據(jù)的有限性，使得火星環(huán)境不能非常詳細(xì)、全面的被人類(lèi)認(rèn)識(shí)和利用。火星氣候環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)則利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的收錄及數(shù)據(jù)的相似仿真技術(shù)為人類(lèi)提供了火星氣候環(huán)境的全面可信的數(shù)據(jù)，對(duì)人類(lèi)探索火星提供了足夠的環(huán)境支持。

4 結(jié)語(yǔ)

火星探測(cè)是我國(guó)未來(lái)載人深空探測(cè)的一個(gè)主要任務(wù)，因此必須對(duì)火星氣候環(huán)境進(jìn)行先期研究。本文就火星的磁場(chǎng)環(huán)境、空間輻射環(huán)境以及火星表面的溫度和壓強(qiáng)做了分析，總結(jié)闡明了國(guó)際火星環(huán)境探測(cè)的最新仿真模擬方法及一些仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)。未來(lái)我國(guó)的火星環(huán)境研究可以充分借鑒國(guó)外的先進(jìn)方法和經(jīng)驗(yàn)，建立我國(guó)自主的火星環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，為載人火星探測(cè)奠定基礎(chǔ)。

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