太空中的PM2.5
——太陽(yáng)系塵埃動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

姜 宇

(1. 宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043； 2. 西安衛(wèi)星測(cè)控中心，西安 710043；3. 奧盧大學(xué)天文研究中心，奧盧 90570)

0 引 言

地面空氣中的PM2.5又稱為細(xì)顆粒物(fine particulate matter)，是粒徑在2.5 μm以下的塵埃顆粒物的統(tǒng)稱，細(xì)塵埃顆?？梢赃M(jìn)入人的細(xì)支氣管和肺泡，對(duì)人體健康造成威脅[1]。塵埃也稱粉塵，其來(lái)源包括：土壤的揚(yáng)塵、宇宙塵埃等自然塵埃，工廠廢氣、燃煤、燃油等產(chǎn)生的人造塵埃，以及植物花粉、孢子等。塵埃在太陽(yáng)系中也廣泛存在，行星際、大行星附近、小行星和彗星附近等都存在塵埃。塵埃可能沉積在航天器表面，從而對(duì)航天器的表面造成污染[2]，污染物的日積月累會(huì)對(duì)航天器的能源、溫?zé)峥?、光學(xué)遙感等分系統(tǒng)均可造成不良影響[3-4]。有關(guān)塵埃顆粒的研究在航天器的表面污染、太陽(yáng)系早期形成與演化、星際物質(zhì)遷徙、行星環(huán)的形成與演化、活動(dòng)小行星的塵埃尾以及彗星的彗尾探測(cè)、宇宙化學(xué)等領(lǐng)域的重要作用，使得塵埃動(dòng)力學(xué)成為當(dāng)前空間科學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)課題。

行星際塵埃由于逃脫了水、熱處理、重力壓縮和沖擊碰撞，比隕石或行星表面的巖石更適用于探測(cè)太陽(yáng)系早期形成過程中的原行星盤[5]。彗星的彗尾、活動(dòng)小行星的塵埃尾、木星的塵埃環(huán)、地球的日心軌道環(huán)等都是由塵埃顆粒組成的。黃道光也是由塵埃顆粒形成的，一種在地面中低地球緯度范圍內(nèi)可見的宇宙塵?，F(xiàn)象稱為黃道光。黃道光是春季黃昏朝西方地平線方向或秋季黎明前朝東方地平線方向可見的三角形光錐，由一些環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行的塵埃顆粒反射太陽(yáng)光而形成，這些塵埃顆粒也稱為黃道光粒子[6-7]。

太陽(yáng)系塵埃的成分[8-9]主要由硅酸鹽、石墨、水、甲烷、固態(tài)二氧化碳等組成。Altobelli等[8]使用卡西尼號(hào)探測(cè)器上的宇宙塵埃分析儀研究了在土星系統(tǒng)中收集的36個(gè)塵埃顆粒的質(zhì)量分布和元素組成，發(fā)現(xiàn)存在富含鎂的硅酸鹽顆粒和氧化物組分，部分塵埃顆粒存在鐵元素；此外，主要的成巖元素如鎂、硅、鐵和鈣以宇宙豐度存在。Wurz等[9]報(bào)告了羅塞塔探測(cè)器(Rosetta)針對(duì)彗星67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/CG)自2014年10月至2016年7月期間9種塵埃顆粒的收集和分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這些塵埃顆粒的主要的化學(xué)成分是碳?xì)浠衔?、含氧烴、含氮分子、含硫分子、鹵化分子和其他物質(zhì)如水、二氧化碳等。

塵埃的形狀是非球形的，其內(nèi)部物質(zhì)組成也是非均勻的[10]。通常塵埃的結(jié)構(gòu)不同引起其散射特征的不同，因此可以采用研究塵埃的散射特征來(lái)分析塵埃的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)塵埃的散射特征又決定了其太陽(yáng)輻射壓力的系數(shù)[11]，因此塵埃的結(jié)構(gòu)特征間接決定了其受到的太陽(yáng)輻射壓加速度。圖1給出了球形塵埃顆粒受到的太陽(yáng)輻射壓系數(shù)Ωpr與塵埃尺寸D之間的關(guān)系，計(jì)算采用的真空波長(zhǎng)為6.0×10-9m。Greenberg和Gustafson[6]在由彗星材料形成星際塵埃的假定下，針對(duì)黃道光粒子提出了被稱為鳥巢結(jié)構(gòu)的纏結(jié)的桿狀模型，該結(jié)構(gòu)特征可以合理地再現(xiàn)黃道光粒子的可見輻射的散射主要特征。Zerull等[12]使用聚集體顆粒模型研究了塵埃顆粒的微波模擬光散射測(cè)量，聚集體由一種吸收性化合物包裹覆蓋，發(fā)現(xiàn)覆蓋厚度影響散射特性。Greenberg和Li[13]給出的彗星塵埃模型為蓬松(多孔)的顆粒聚集體，由0.1μm的硅酸鹽核心和有機(jī)耐火地幔和主要為水冰的外地幔包裹，含有粒徑在1～10 nm范圍內(nèi)的嵌入碳和多環(huán)芳烴型顆粒；水的質(zhì)量占比接近30%，耐火材料和揮發(fā)物比例接近1∶1。太陽(yáng)系不同區(qū)域的塵埃的結(jié)構(gòu)特征可能有所不同，Quinn等[14]的研究表明靠近太陽(yáng)的行星際塵埃粒子數(shù)量由球粒隕石多孔塵埃粒子主導(dǎo)，而不是由球粒隕石光滑塵埃粒子主導(dǎo)。

圖1 塵埃顆粒受到的太陽(yáng)輻射壓系數(shù)與塵埃顆粒尺寸之間的關(guān)系Fig.1 The relationship of the efficiency factor for radiation pressure and the size of dust grains

塵埃的尺寸或質(zhì)量服從冪律分布，以亞微米級(jí)顆粒為主[10]。在密度確定條件下，尺寸分布可唯一確定大量塵埃顆粒的質(zhì)量分布，反之，質(zhì)量分布可唯一確定大量塵埃顆粒的尺寸分布。彗星塵埃的密度約為0.6 g·cm-3 [15-16]。除此以外，以硅酸鹽為主的塵埃的密度為2.5 g·cm-3，而以碳?xì)溲醯衔餅橹鞯膲m埃的密度約為1.0 g·cm-3 [17]。Grün等[18]通過對(duì)彗星Hale-Bopp塵埃的的亞毫米光譜范圍內(nèi)的觀測(cè)結(jié)果表明存在毫米級(jí)顆粒。Kolokolova等[10]的研究結(jié)果表明彗星塵埃顆粒的尺寸范圍跨度從亞微米到毫米甚至厘米或更大。目前國(guó)際上尚無(wú)塵埃顆粒最大尺寸的界限，一般文獻(xiàn)研究的塵埃顆粒的尺寸在數(shù)十納米至毫米級(jí)之間。

一個(gè)典型的塵埃顆粒的生命周期中的物理化學(xué)變化過程為：以硅酸鹽顆粒組成的塵埃顆粒在生成以后，硅酸鹽顆粒在5～15 K的溫度下冷卻，氣體原子和分子吸積在其表面形成霜幔，此后氣體和固體之間的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水和一氧化碳，紫外線輻射破壞簡(jiǎn)單的分子從而形成新的物質(zhì)和復(fù)雜的有機(jī)分子，塵埃顆粒在軌跡演化過程中進(jìn)入低密度區(qū)域，揮發(fā)性的冰殼經(jīng)過光加工和蒸發(fā)，要么被破壞，要么剩下復(fù)雜的有機(jī)耐火材料冰殼。塵埃顆粒進(jìn)一步受到光加工和破壞，分解為更小的塵埃顆粒，這一過程重復(fù)多次(～50)直到塵埃顆粒被完全消耗掉或者塵埃顆粒參與形成或進(jìn)入行星、小行星或彗星。一個(gè)由硅酸鹽組成的塵埃顆粒的平均壽命為5×109年[19-20]。

1 塵埃的來(lái)源與生成機(jī)制

塵埃顆?？赡芡ㄟ^多種方式產(chǎn)生，包括行星際碎石撞擊行星、小行星、行星衛(wèi)星、小行星衛(wèi)星[21]等的表面引起塵埃顆粒的濺射生成，還包括小行星、彗星表面的羽流噴泉涌出生成；此外，行星環(huán)中顆粒之間的碰撞以及小行星等天體表面顆粒物質(zhì)的風(fēng)化脫落等也可以產(chǎn)生塵埃顆粒，不同的產(chǎn)生過程其力學(xué)機(jī)理各不相同。不同區(qū)域的塵埃顆粒的起源也有所不同，例如行星際塵埃和小行星101955 Bennu附近的塵埃顆粒的起源就有很大不同。小行星101955 Bennu附近的塵埃顆粒的主要來(lái)源是它的表面，而行星際塵埃顆粒的來(lái)源則多種多樣，包括木族彗星、小行星、大行星的衛(wèi)星等[22]。本節(jié)介紹塵埃的起源及其生成機(jī)制。

1.1 塵埃的來(lái)源

內(nèi)太陽(yáng)系的行星際塵埃的起源主要有4種，包括木族彗星、小行星、哈雷型彗星、奧特云彗星[22-23]，這種起源包括從上述星體直接排放的塵埃顆粒，也包括從上述星體排放的微隕石超高速?zèng)_擊小行星、彗星和大行星的衛(wèi)星表面而濺射出來(lái)的塵埃顆粒。對(duì)于地球附近的塵埃顆粒來(lái)說，其起源還包括衛(wèi)星與衛(wèi)星、碎片或微流星體與衛(wèi)星或碎片等的超高速碰撞[24-27]。Messenger等[28]在一些行星際塵埃顆粒中發(fā)現(xiàn)6個(gè)硅酸鹽顆粒，對(duì)其成分和豐度的分析表明這些塵埃顆粒的潛在的來(lái)源是短周期彗星，認(rèn)為它們可能擁有太陽(yáng)系形成時(shí)期至今變化最少的殘余物。

加拿大流星軌道雷達(dá)的雷達(dá)操作使得年輕和中等古老的流星流與分散的流星陣發(fā)背景成分區(qū)別開來(lái)[23,29-30]，后者根據(jù)地球觀測(cè)者可見的廣泛輻射區(qū)域分為三大類：日源和反日源[31]，南北頂點(diǎn)源[32]以及南北環(huán)形源[33]，其中日源和反日源以及北頂點(diǎn)源主要是木星家族彗星和新彗星釋放的塵埃[33]。Pokorny等[23]從陣發(fā)的流星體復(fù)合體的環(huán)狀源中發(fā)展出一個(gè)穩(wěn)態(tài)模型，將該模型與加拿大流星軌道雷達(dá)可用的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，以研究模型中的陣發(fā)流星體的整個(gè)數(shù)量對(duì)塵埃顆粒的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形顆粒的長(zhǎng)期穩(wěn)定部分主要由Halley型彗星釋放的塵埃供給。Carrillo-Sánchez等[22]將四種已知的塵埃源木族彗星、小行星、Halley Type彗星和Oort Cloud彗星的模型中的質(zhì)量、速度和輻射點(diǎn)分布與化學(xué)消融模型相結(jié)合，以估計(jì)Na和Fe注入地球上層大氣的速率，結(jié)果表明木族彗星貢獻(xiàn)了(80±17)%的總輸入質(zhì)量。

1.2 濺 射

行星際微流星體超高速?zèng)_擊天體的表面會(huì)濺射出大量塵埃顆粒，這一塵埃濺射過程發(fā)生在太陽(yáng)系所有無(wú)氣體的天體上[34]。每年月球被約106kg的射彈—行星際微流星體轟擊，這些微流星體起源于彗星和小行星，絕大多數(shù)的尺寸從10 nm到1 mm不等，這種轟擊可以發(fā)掘的月球土壤質(zhì)量可達(dá)射彈自身的1000倍，轟擊將產(chǎn)生大量塵埃顆粒[35]。美國(guó)“勘測(cè)者”號(hào)(Surveyor)月球探測(cè)器和“阿波羅”號(hào)(Apollo)宇航員相繼發(fā)現(xiàn)在月球上日出時(shí)在月球地平線上方顯示出明顯的發(fā)光，稱為地平線發(fā)光，被認(rèn)為是塵?，F(xiàn)象[35]，這種塵?，F(xiàn)象產(chǎn)生的主要流星體通量由短周期彗星提供[36]。月球塵埃也稱為月塵[37-39]。Horányi等[40]報(bào)告了月球周圍永久性不對(duì)稱塵埃云(簡(jiǎn)稱為塵云)的觀測(cè)結(jié)果，這些塵云是由偏心軌道上的彗星塵埃粒子高速撞擊月面造成的縹緲的月球?yàn)R射云，他們發(fā)現(xiàn)塵云的密度在年度流星雨期間增加，并猜想所有的行星目標(biāo)都沉浸在類似的縹緲塵云中。不僅地球的衛(wèi)星-月球被微流星超高速轟擊產(chǎn)生塵埃，其它的行星衛(wèi)星也會(huì)被微流星體高速轟擊產(chǎn)生塵埃，在伽利略號(hào)木星探測(cè)器接近伽利略衛(wèi)星的幾分鐘內(nèi)，塵埃探測(cè)儀檢測(cè)到撞擊率提高，表明大量噴射塵埃來(lái)自這些衛(wèi)星；也就是說，所有的伽利略衛(wèi)星都是噴射塵埃的來(lái)源[41]。

月球受到射彈沖擊后產(chǎn)生的噴射物的大部分仍然最終回到月球[42]，木星衛(wèi)星受到射彈沖擊后產(chǎn)生的噴射物最終可形成塵埃環(huán)[43]，而小行星受到射彈沖擊后產(chǎn)生的噴射物的大部分將會(huì)排出，從而進(jìn)入行星際塵埃種群[44]。Szalay等[45]使用4種不同的來(lái)源模擬內(nèi)太陽(yáng)系隕星流環(huán)境，包括木族彗星、哈雷型彗星、奧特云彗星和主帶小行星，以分析由大量塵埃顆粒組成的沖擊濺射云的密度分布；日本將要實(shí)施的DESTINY+(Demonstration and Experiment of Space Technology for INterplanetary voYage)任務(wù)的塵埃探測(cè)儀有效面積假定為310 cm2，對(duì)塵埃顆粒的最小可探測(cè)尺寸為50 nm，則探測(cè)器飛越活動(dòng)小行星3200 Phaethon的飛越距離分別為100 km、300 km和500 km對(duì)應(yīng)的塵埃顆粒檢測(cè)數(shù)量約分別為100個(gè)、30個(gè)和20個(gè)[45]。

1.3 表面噴射

表面噴射(surface jets)是彗星表面釋放塵埃顆粒的主要方式[46-47]。Farnham等[46]概述了深度撞擊任務(wù)(Deep Impact Mission)對(duì)彗星坦普爾1號(hào)(9P/Tempel 1)接近和邂逅階段的塵埃尾觀測(cè)結(jié)果，在接近期間觀測(cè)到3個(gè)不同的射流，射流的旋轉(zhuǎn)周期為1.7天，與坦普爾1號(hào)的自旋周期相同[48]；最明亮的射流產(chǎn)生弧形特征，噴射速度約為12 m/s，F(xiàn)arnham等[46]據(jù)此推斷塵埃彗發(fā)的主要組成是毫米級(jí)的塵埃顆粒。隨著探測(cè)器與彗核距離的接近，可觀測(cè)到更多的射流。羅塞塔探測(cè)器于2014年7月至8月期間觀測(cè)到彗核67P/Churyumov-Gerasimenko表面Hapi、Hathor、Anuket和Aten區(qū)域的彗核活動(dòng)產(chǎn)生了大規(guī)模的射流狀特征[47]。從噴射位置來(lái)看，根據(jù)噴射流的存在，可以推斷一部分氣體和塵埃是從彗核表面地殼的通風(fēng)口、裂縫、缺口或坑排出的，同時(shí)氣體和塵埃可以通過可滲透的地幔滲透至表面而產(chǎn)生更多的均勻的背景排放[46,49]。

1.4 風(fēng)化、滑坡、質(zhì)量脫落與旋轉(zhuǎn)斷裂

天體表面巖石在輻射、凍融等的作用下會(huì)發(fā)生物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化，使得巖石發(fā)生崩裂破碎，伴隨著塵埃的產(chǎn)生[50]。此外，天體表面發(fā)生滑坡、質(zhì)量脫落等現(xiàn)象的時(shí)候，也會(huì)伴隨著塵埃顆粒的產(chǎn)生。當(dāng)天體受到的潮汐力發(fā)生變化時(shí)，其表面可能發(fā)生滑坡現(xiàn)象。而當(dāng)小天體在YORP效應(yīng)作用下自旋速率增大時(shí)，表面可能發(fā)生質(zhì)量脫落現(xiàn)象，稱為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量脫落。旋轉(zhuǎn)質(zhì)量脫落是因小行星快速自旋引起的強(qiáng)烈的離心力而導(dǎo)致表面物質(zhì)飛散[51]。此外，小天體表面不穩(wěn)定平衡處的自由顆粒可能發(fā)生自然脫落，產(chǎn)生塵埃顆粒。在小天體受到的潮汐力或其自身的旋轉(zhuǎn)速率發(fā)生變化時(shí)，滑坡和質(zhì)量脫落可能是同時(shí)發(fā)生的。例如，快速自旋的小行星除了可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)質(zhì)量脫落以外，還可能發(fā)生浮土層滑坡[52]。除了風(fēng)化脫落和滑坡以外，其它的小行星、彗星、流星體的動(dòng)力學(xué)過程也會(huì)產(chǎn)生塵埃顆粒，包括旋轉(zhuǎn)斷裂[53]、潮汐破壞[54]等。

2 塵埃的充電過程與磁場(chǎng)環(huán)境

在濺射等方式產(chǎn)生塵埃顆粒以后，塵埃顆粒暴露于等離子體和紫外線輻射的空間環(huán)境中會(huì)發(fā)生充電而帶有電荷[55]。塵埃的充電機(jī)理包括：電子和離子電流、二次電子電流[56]、光電子電流、移動(dòng)顆粒的離子電流等[55]。其中電子和離子電流方式是塵埃顆粒受到電子和離子的轟擊而帶電。一些轟擊塵埃顆粒的粒子帶有足夠高的能量從而使得塵埃材料被電離而產(chǎn)生二次電子，如果存在二次電子電流，則二次電子電流是正的塵埃顆粒充電電流。塵埃顆粒處在紫外線-光子的照射之下，這種照射足以產(chǎn)生光電子，特別是在極紫外波長(zhǎng)情況下具有相當(dāng)大的光電產(chǎn)量，光電子的逃逸使得塵埃顆粒中產(chǎn)生電流，稱為光電子電流[57]。塵埃顆粒充電一定時(shí)間后，會(huì)達(dá)到電荷平衡狀態(tài)[58]，如果空間天氣發(fā)生變化，則塵埃顆粒會(huì)發(fā)生電荷漲落現(xiàn)象[59]。

帶電的塵埃顆粒處在行星際磁場(chǎng)或行星磁場(chǎng)之中，這就使得塵埃顆粒的運(yùn)動(dòng)還受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。不同的行星的磁場(chǎng)特性如磁矩、磁場(chǎng)強(qiáng)度量級(jí)、偶極子存在與否及傾斜程度等可能有較大差異[60]，例如地球、木星、天王星表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的近似平均值分別為5×10-5T、4.2×10-4T、2×10-5T。通?？梢酝ㄟ^球諧系數(shù)來(lái)計(jì)算塵埃顆粒在行星附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖2給出了木星和天王星表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的模，單位為高斯，計(jì)算所需的磁場(chǎng)球諧系數(shù)分別來(lái)源于Connerney等[61]與Holme和Bloxham[62]。

圖2 行星表面磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)量值Fig.2 The magnetic field intensity on the surface of planets

3 塵埃的受力模型與分布特征

塵埃顆粒除了受到引力的作用以外，還受到洛倫茲力、太陽(yáng)輻射壓力等的作用。不同的引力、磁場(chǎng)、太陽(yáng)紫外輻射、等離子體等的環(huán)境下的塵埃顆粒受到的力的加速度不同，同等環(huán)境條件下，不同尺寸、密度、形狀與結(jié)構(gòu)的塵埃顆粒之間的受力加速度也有所不同。在塵埃顆粒與行星、行星衛(wèi)星、小行星、彗星的萬(wàn)有引力方面，塵埃顆粒扮演著無(wú)質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)的角色。塵埃受到的輻射壓力加速度大小與其尺寸和質(zhì)量相關(guān)；塵埃顆粒的組成和結(jié)構(gòu)決定了其物質(zhì)密度，從而影響其面值比、吸收和散射特性，塵埃的形狀和尺寸也對(duì)其吸收和散射特性有所影響[63]。雖然不同的塵埃顆粒之間的物理參數(shù)有所差異，但大量塵埃顆粒的質(zhì)量、尺寸、速度等呈現(xiàn)出一定的統(tǒng)計(jì)特征，使得塵埃在空間分布的數(shù)密度、不同質(zhì)量、不同尺寸、不同速度的塵埃顆粒的數(shù)密度不同[64]。

3.1 受力模型

太陽(yáng)系的塵埃顆粒受到引力、洛倫茲力、太陽(yáng)輻射壓力[61,65]、Poynting-Robertson拖曳[65]、等離子體拖曳等[66]。塵埃顆粒處在不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境下，需要考慮的受力情況有所不同；例如對(duì)于彗星塵埃來(lái)說，主要考慮彗星和太陽(yáng)對(duì)塵埃顆粒的引力、太陽(yáng)輻射壓力[67]；對(duì)于木星塵埃來(lái)說，往往除了需要考慮太陽(yáng)和大行星的引力以外，還需要考慮木星磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)對(duì)塵埃顆粒的洛倫茲力[68]。不同尺寸的塵埃顆粒受到的電磁力加速度不同，這將分散不同尺寸的顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡[55]。

3.2 單個(gè)塵埃的運(yùn)動(dòng)

依據(jù)所處的環(huán)境的不同，單個(gè)塵埃顆?？梢苑譃樾行请H塵埃[22]、行星塵埃[69]、特洛伊塵埃[68,70]、小行星和彗星塵埃[71-72]等多種不同類型的塵埃顆粒。所處的空間環(huán)境不同導(dǎo)致塵埃顆粒的動(dòng)力學(xué)行為有所差異。Kortenkamp[73]使用數(shù)值方法模擬了行星際塵埃粒子在輻射壓力，Poynting-Robertson拖曳，太陽(yáng)風(fēng)拖曳和行星引力攝動(dòng)的影響下向地球演化的過程。Schaffer和Burns[74]采用分析和數(shù)值方法來(lái)研究行星磁層中帶電塵埃顆粒的動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在傾斜的偶極磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，大部分中等電荷和高電荷粒子在幾百小時(shí)內(nèi)都將進(jìn)入行星大氣中。

Hartzell和Scheeres[75]研究了小行星和月球附近懸浮塵埃的動(dòng)力學(xué)，計(jì)算了塵埃粒子圍繞平衡運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和時(shí)間尺度，發(fā)現(xiàn)懸浮塵埃顆粒的初始速度受到粒子尺寸的影響，對(duì)中心物體的質(zhì)量和粒子的電荷的數(shù)值變化不敏感。Kozai[76]導(dǎo)出了從彗星噴出的塵埃粒子的二體問題軌道攝動(dòng)的解析表達(dá)式，攝動(dòng)力包括了太陽(yáng)輻射壓力；發(fā)現(xiàn)彗星塵埃顆粒的半長(zhǎng)軸、偏心率和近日點(diǎn)距離三者的導(dǎo)數(shù)取決于噴射速度、顆粒尺寸和噴射點(diǎn)的真近點(diǎn)角。Molina等[77]在假定彗核和塵埃顆粒都是球形和塵埃顆粒在彗核表面徑向噴射的情況下，考慮了太陽(yáng)引力、彗星引力和輻射壓力，研究了塵埃顆粒的邊界軌道和若干個(gè)軌道周期中的穩(wěn)定性。Jiang等[67]研究了彗星帶電塵埃顆粒的平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性，分析了塵埃顆粒的電荷、質(zhì)量和相對(duì)彗核的距離的變化對(duì)塵埃顆粒受到的太陽(yáng)引力、彗星引力、輻射壓等的影響。

3.3 分布特征

通常來(lái)說，太陽(yáng)系中不同空間位置處的塵埃顆粒的質(zhì)量分布、速度分布各不相同。彗核自然排放的塵埃顆粒的分布特征和超高速?zèng)_擊濺射排放的塵埃顆粒的分布特征存在差異。不同空間位置處行星際塵埃的分布特征和該處的日心距離有關(guān)[78]。Krivov等[79]研究指出不同日心距離處的小行星和彗星數(shù)量不同，微流星體超高速?zèng)_擊這些小天體表面會(huì)濺射產(chǎn)生大量塵埃顆粒。Housen和Holsapple[80]總結(jié)了來(lái)自18項(xiàng)研究的撞擊坑噴射物的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，檢查了這些數(shù)據(jù)并應(yīng)用于評(píng)估撞擊事件對(duì)濺射速度分布和質(zhì)量分布的影響，提出了一種針對(duì)濺射質(zhì)量與速度分布的點(diǎn)源尺度模型。木星、土星等行星附近塵埃的分布特征通常和微流星體超高速?zèng)_擊行星的衛(wèi)星有關(guān)[81]。Krüger等[81]給出了行星際微流星體超高速撞擊木衛(wèi)三的塵埃云質(zhì)量分布，并考慮了塵埃云的速度分布，發(fā)現(xiàn)用行星際微流星體作為撞擊物撞擊木衛(wèi)三表面計(jì)算的空間塵埃密度計(jì)算與伽利略號(hào)探測(cè)器測(cè)量得出的塵埃密度一致，表明木衛(wèi)三的塵埃云是經(jīng)由微流星體對(duì)木衛(wèi)三表面的超高速撞擊而引發(fā)的。Ott等[72]給出了羅塞塔探測(cè)器(Rosetta)上的光學(xué)、光譜和紅外遠(yuǎn)程成像系統(tǒng)儀器測(cè)量到的彗星67P/Churyumov-Gerasimenko排放的262個(gè)塵埃顆粒的尺寸分布、質(zhì)量分布和速度分布，并發(fā)現(xiàn)這些塵埃顆粒相對(duì)彗核的平均速率為2.4 m·s-1，估計(jì)出該彗核在近日點(diǎn)的總質(zhì)量損失速率約為8300 kg·s-1。

部分行星際塵埃顆粒會(huì)進(jìn)入行星大氣層[82]，Carrillo-Sánchez等[83]研究了進(jìn)入地球大氣層的宇宙塵埃的尺寸與速度分布，認(rèn)為其中很大一部分是由質(zhì)量小于5 μg、速度小于15 km·s-1的塵埃顆粒組成。將塵埃的尺寸和速度分布與化學(xué)燒蝕模型相結(jié)合，可以預(yù)測(cè)不同元素注入地球大氣層的速率[84]。在三個(gè)宇宙塵埃源：木族彗星、小行星帶和哈雷型彗星的金屬和有機(jī)物對(duì)地球、火星和金星大氣的貢獻(xiàn)之中，木族彗星是主要的質(zhì)量貢獻(xiàn)者[85]。

4 航天任務(wù)的塵埃探測(cè)

伽利略號(hào)木星探測(cè)器(Galileo)和尤利西斯號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器(Ulysses)上安裝的塵埃探測(cè)儀由德國(guó)馬克斯·普朗克核物理研究所研制[86]，該儀器對(duì)塵埃顆粒探測(cè)的速度獨(dú)立的靈敏度閾值為5 km·s-1對(duì)應(yīng)1.2×10-13g，10 km·s-1對(duì)應(yīng)1.5×10-14g，20 km·s-1對(duì)應(yīng)2.0×10-15g，40 km·s-1對(duì)應(yīng)1.3×10-16g。伽利略號(hào)在1989年12月至1992年1月期間多次穿越0.7 AU至2.26 AU之間的行星際空間，記錄了374次塵埃撞擊，觀測(cè)到的撞擊頻率從0.1次/天到3次/天，撞擊頻率的高低取決于探測(cè)器朝向太陽(yáng)還是遠(yuǎn)離太陽(yáng)[87]。尤利西斯號(hào)在1990年10月至1992年1月期間與太陽(yáng)的距離為5.17AU，記錄了72次塵埃撞擊，撞擊頻率從0.1次/天到0.5次/天[87]。Grün等[88]報(bào)告了尤利西斯號(hào)探測(cè)器飛越木星過程中，在距離木星1 AU以內(nèi)，塵埃探測(cè)儀記錄了起源于木星方向的亞微米級(jí)塵埃顆粒的周期性爆發(fā)，每次爆發(fā)持續(xù)的時(shí)間從幾小時(shí)到兩天，爆發(fā)的時(shí)間間隔為28±3天；此外，還發(fā)現(xiàn)一些微米級(jí)塵埃顆粒高速逆行，速度大于26 km·s-1，運(yùn)行方向與行星運(yùn)動(dòng)方向相反。尤利西斯號(hào)探測(cè)器于2004年第二次飛越了木星，最近距離為0.8 AU，從2002年11月至2005年8月測(cè)量到了從木星系統(tǒng)發(fā)出的28個(gè)塵埃流，發(fā)現(xiàn)塵埃顆粒沖擊方向與行星際磁場(chǎng)的極性和強(qiáng)度相關(guān)[89]。

Tuzzolino等[90]報(bào)告了星塵號(hào)航天器上安裝的塵埃通量監(jiān)測(cè)儀對(duì)塵埃粒子通量和質(zhì)量分布的測(cè)量結(jié)果，在星塵號(hào)飛越彗星81P/Wild 2過程中，估計(jì)有2800±500個(gè)15 μm或更大的塵埃粒子碰撞氣凝膠收集器，質(zhì)量范圍為10-14～10-7kg。Andersson等[91]使用火星大氣與揮發(fā)性演化任務(wù)(Mars atmos-phere and volatile evolution mission，MAVEN)航天器上安裝的朗繆爾探針和波浪儀150～1000 km以上的高度的塵埃進(jìn)行了觀測(cè)，根據(jù)塵埃分布，認(rèn)為它們起源于行星際。

環(huán)繞地球的軌道上也有大量塵埃顆粒存在，高等研究和全球觀測(cè)衛(wèi)星(Advanced research and global observation satellite, ARGOS)在98.7°傾角、850 km高度的環(huán)繞地球的太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行，塵埃探測(cè)儀的有效面積為576 cm2，可以測(cè)得3.3 μm以上的塵埃顆粒，從1999年2月23日發(fā)射到2000年6月8日，塵埃探測(cè)儀在470天內(nèi)檢測(cè)到258次塵埃撞擊[92]。

5 大量塵埃的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象及內(nèi)在規(guī)律

大量塵埃表現(xiàn)出來(lái)的宏觀動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象及內(nèi)在規(guī)律取決于塵埃所處的引力場(chǎng)、磁場(chǎng)、輻射等環(huán)境以及塵埃顆粒的尺寸、密度等參數(shù)。宏觀動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象包括木星環(huán)等繞行星的塵埃環(huán)、水星共軌塵埃環(huán)等繞日的塵埃環(huán)、塵埃云、塵埃尾等。環(huán)繞行星運(yùn)動(dòng)的塵埃顆粒的動(dòng)力學(xué)稱為環(huán)行星塵埃動(dòng)力學(xué)(Circumplanetary Dust Dynamics)[93]，而在行星際運(yùn)動(dòng)的塵埃顆粒的動(dòng)力學(xué)則稱為行星際塵埃動(dòng)力學(xué)(Interplanetary Dust Dynamics)[94-95]。本節(jié)介紹大量塵埃顆粒表現(xiàn)的宏觀動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律的研究進(jìn)展。

5.1 繞行星與小行星的塵埃環(huán)

每個(gè)巨行星都被行星環(huán)包圍著，行星環(huán)通常由半徑從厘米到米的粒子組成，但每個(gè)環(huán)系統(tǒng)還包含多個(gè)由較小的塵埃顆粒但主導(dǎo)地位的區(qū)域[96]。木星的伽利略衛(wèi)星受到超高速?zèng)_擊濺射產(chǎn)生的塵埃粒子的一部分可能會(huì)從源衛(wèi)星逃逸到環(huán)繞木星的軌道中，在考慮引力、輻射壓力和電磁力作用下，濺射粒子的動(dòng)力學(xué)演化表明半徑大于十分之一微米的塵埃粒子可能會(huì)在木星周圍軌道上停留數(shù)十年至數(shù)百年，直到其撞擊木星或木衛(wèi)表面或發(fā)生逃逸，這些粒子形成了一個(gè)寬塵埃環(huán)，粒子的數(shù)密度可達(dá)103km-3 [43]。Northrop等[97]研究了木星薄紗環(huán)上塵埃的陀螺相漂移和軌道演化，發(fā)現(xiàn)陀螺相漂移可能超過等離子阻力漂移，并且可能使小的帶電塵埃向同步半徑方向或遠(yuǎn)離同步半徑方向移動(dòng)。Sachse[98]提出了一個(gè)針對(duì)由行星的引力控制的沖擊濺射產(chǎn)生的行星塵埃環(huán)以及小的帶電塵埃粒子受到的擾動(dòng)力的簡(jiǎn)單的可快速計(jì)算的半分析模型，將模型應(yīng)用于木星的伽利略衛(wèi)星噴出的塵埃顆粒，模型預(yù)測(cè)的塵埃密度與數(shù)值計(jì)算和伽利略號(hào)木星探測(cè)器測(cè)量結(jié)果非常吻合。海王星環(huán)主要由微米級(jí)的塵埃組成，分為5個(gè)離散的環(huán)，海王星環(huán)的一個(gè)與眾不同的特征是亞當(dāng)環(huán)(Adam ring)內(nèi)部存在5個(gè)弧形結(jié)構(gòu)，即不完整的環(huán)[99]。對(duì)于那些軌道與環(huán)纏繞的海王星的眾多小衛(wèi)星來(lái)說，它們與環(huán)之間存在物質(zhì)循環(huán)，小衛(wèi)星表面物質(zhì)受到侵蝕而導(dǎo)致塵埃顆粒脫落，小衛(wèi)星受到流星體的轟擊而產(chǎn)生大量塵埃，這些塵埃顆粒進(jìn)入海王星環(huán)中；此外，環(huán)中存在塵埃顆粒在運(yùn)動(dòng)的過程中附著在小衛(wèi)星表面[100]。

矮行星Haumea也有一個(gè)環(huán)[101]，環(huán)的半徑使該環(huán)的軌道周期與Haumea的自旋周期之比為3∶1的平運(yùn)動(dòng)共振。Kovács和Regály[102]在假定此環(huán)為塵埃環(huán)的情況下，考慮了Haumea的質(zhì)心和2度2階引力場(chǎng)，以及作為主要擾動(dòng)的太陽(yáng)輻射壓力，通過數(shù)值模擬的方式研究了矮行星Haumea的環(huán)的動(dòng)力學(xué)問題，認(rèn)為不同的塵埃顆粒尺寸產(chǎn)生不同環(huán)結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸越小，環(huán)的寬度越窄。

5.2 繞行星與小行星的水冰環(huán)

5.3 與行星共軌的繞日塵埃環(huán)

地球、金星和水星附近雖然沒有像木星等巨行星附近那樣的環(huán)，但存在共軌塵埃環(huán)，即它們的日心軌道附近都存在塵埃環(huán)，環(huán)的中心是太陽(yáng)，而不是行星[108]，這種塵埃環(huán)也稱為繞日塵埃環(huán)[108-110]。Dermott等[111]通過數(shù)值模擬研究了小行星塵埃顆粒的軌道演化，表明地球處在小行星塵埃的繞日的環(huán)形圈中，且地球尾跡中永久地存在一團(tuán)更加密集的塵埃顆粒。這一模擬結(jié)果可以解釋紅外天文衛(wèi)星(IRAS)觀測(cè)到的黃道云的不對(duì)稱性[109,112]。地球的日心軌道環(huán)可以提供一種將小行星帶的碳質(zhì)材料傳輸?shù)降厍虻臋C(jī)制，即首先通過環(huán)的共振捕獲將塵埃顆粒從小行星帶捕獲到地球的日心軌道環(huán)，再?gòu)娜招能壍拉h(huán)釋放到地球[111]。Reach等[109]通過宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星(COBE)的紅外漫反射背景實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)地球的繞日塵埃環(huán)的存在性及Dermott等[111]對(duì)其結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)。

此后，Jones等[108]使用美國(guó)宇航局STEREO-A探測(cè)器于2009年觀測(cè)的數(shù)據(jù)繪制的表面亮度圖顯示了金星軌道附近巨大但彌漫的塵埃環(huán)，環(huán)的最大密度超過黃道云約10%。Stenborg等[110]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)水星的日心軌道附近也存在塵埃環(huán)，稱作水星軌道環(huán)，認(rèn)為水星的日心軌道環(huán)中的塵埃來(lái)源可能包括三個(gè)彗星2P/Encke、 73P/Schwassmann-Wachmann 3和169P/NEAT的彗尾。

圖3 與行星共軌的繞日塵埃環(huán)藝術(shù)圖Fig.3 The artistic image of circumsolar dust ring co-orbiting with planets

5.4 塵埃云與塵埃尾

大量塵埃表現(xiàn)出來(lái)的宏觀動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象還包括塵埃云與塵埃尾。Krivov等[79]提出了一個(gè)塵埃云分析模型，適用于通過沖擊無(wú)氣體的行星衛(wèi)星和水星、冥王星表面而在其周圍產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)球?qū)ΨQ塵埃云，假定射彈是行星際微流星體，模型提供了預(yù)期的母體附近的塵埃質(zhì)量、密度和速度分布。Sremevi等[113]關(guān)注由母體通過各向同性的撞擊物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不對(duì)稱效應(yīng)，計(jì)算了塵埃云中塵埃數(shù)密度的不對(duì)稱分布，提出了相應(yīng)的非對(duì)稱塵埃云模型。Sremevi等[69]研究了木星的伽利略衛(wèi)星歐羅巴、木衛(wèi)德和卡利斯托(Europa, Ganymede and Callisto)的縹緲塵埃云，報(bào)告了伽利略號(hào)在飛越木星的伽利略衛(wèi)星歐羅巴、木衛(wèi)德和卡利斯托過程中，探測(cè)器上安裝的塵埃探測(cè)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)與Sremevi等[113]的模型相兼容。

Thiessenhusen等[114]通過數(shù)值模擬冥王星和卡戎表面的沖擊濺射，認(rèn)為冥王星和卡戎沉浸在一片縹緲的塵埃云中，云由起源于Edgeworth-Kuiper帶的微流星體沖擊冥王星和卡戎表面釋放的塵埃組成。Jewitt等[71]報(bào)告了在小行星(3200) Phaethon附近發(fā)現(xiàn)類似彗尾的現(xiàn)象，認(rèn)為Phaethon的尾巴由塵埃顆粒被太陽(yáng)輻射壓加速形成，塵埃顆粒的有效半徑約1 μm，總質(zhì)量約為3×105kg，塵埃顆粒產(chǎn)生于小行星運(yùn)行到近日點(diǎn)附近時(shí)表面熱斷裂亦或干燥裂紋。Hergenrother等[115]給出了OSIRIS-REx任務(wù)對(duì)小行星(101955) Bennu的表面塵埃排放的質(zhì)量速率估計(jì)，結(jié)果表明2018年9月表面塵埃平均產(chǎn)量的上限為150 g·s-1。下面給出一個(gè)算例來(lái)展示小天體塵埃尾的模擬計(jì)算結(jié)果，小天體表面排放的塵埃通量越大，越容易觀測(cè)到塵埃尾的現(xiàn)象。圖4給出了由作者開發(fā)的小天體表面塵埃排放與塵埃尾計(jì)算程序DEDTail(Dust emission and dust tail around minor bodies)計(jì)算的陀螺狀小行星1994CC表面塵埃隨機(jī)排放的模擬[67]，參考系取為慣性系。小行星1994CC的容積密度為2.07 g·cm-3，自旋周期為2.3886 h，形狀模型由2000個(gè)頂點(diǎn)和3996個(gè)面組成[116]，考慮小行星1994CC的中心存在與小行星形狀相似的質(zhì)量瘤[117]，質(zhì)量瘤的尺寸為小行星的0.3倍，密度為4.14 g·cm-3?？紤]小行星1994CC的不規(guī)則形狀引起的引力[118]、太陽(yáng)引力、大行星引力、輻射壓力[65]、Poynting-Robertson拖曳[65]、等離子體拖曳[66]、太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)中的洛倫茲力[58]。塵埃顆粒的密度和小行星1994CC的密度相同。模擬的塵埃顆?？倲?shù)為600個(gè)，半徑范圍為0.1～10 μm。塵埃在小行星不規(guī)則表面排放的位置隨機(jī)選擇，相對(duì)表面排放的速度為0.02 m·s-1～3.0 m·s-1，考慮塵埃顆粒的質(zhì)量分布和初始排放速度大小分布[79]，初始排放速度的方向和小行星表面局部法向的夾角為30°～75°的區(qū)間內(nèi)均勻分布。

圖4 小行星1994CC表面塵埃隨機(jī)排放Fig.4 Stochastic emission of dust grains around asteroid 1994CC

6 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了太陽(yáng)系塵埃顆粒的動(dòng)力學(xué)問題研究進(jìn)展，包括塵埃的來(lái)源與生成機(jī)制，生成后的充電過程、受力模型、動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，大量塵埃顆粒的統(tǒng)計(jì)分布特征與宏觀動(dòng)力學(xué)，以及探測(cè)器對(duì)塵埃的探測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。人們采取天體力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理的方法研究有關(guān)塵埃的動(dòng)力學(xué)及相關(guān)科學(xué)問題，當(dāng)前，人們對(duì)塵埃顆粒的生成、充電過程、動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)越來(lái)越清楚。然而，仍有大量待解決的問題，包括但不限于：1)塵埃的面質(zhì)比分布特征和對(duì)應(yīng)的輻射壓系數(shù)；2)空間碎片與碎片碰撞過程產(chǎn)生的塵埃的動(dòng)力學(xué)問題；3)探測(cè)器在無(wú)大氣的天體表面軟著陸過程中激起的塵埃的動(dòng)力學(xué)問題；4)活動(dòng)小行星的塵埃排放與塵埃尾特征；5)有環(huán)的小行星的環(huán)中塵埃顆粒的穩(wěn)定性、相互作用、漂移特征等；6)空間天氣變化引起行星環(huán)、小行星環(huán)中塵埃顆粒的電荷漲落，進(jìn)而引起塵埃顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化并對(duì)環(huán)的形態(tài)產(chǎn)生影響。