火星和月球的静电环境.docx
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火星和月球的静电环境
TheElectrostaticEnvironmentsofMarsandtheMoon
火星和月球的静电环境
Abstract.TheelectricalactivitypresentintheenvironmentnearthesurfacesofMarsandthemoonhasverydifferentoriginsandpresentsachallengetomannedandroboticplanetaryexplorationmissions.Marsiscoveredwithalayerofdustthathasbeenredistributedthroughouttheentireplanetbyglobalduststorms.Dust,levitatedbythesestormsaswellasbythefrequentdustdevils,isexpectedtobeelectrostaticallychargedduetothemultiplegraincollisionsinthedust-ladenatmosphere.Dustcoveringthesurfaceofthemoonisexpectedtobeelectrostaticallychargedduetothesolarwind,cosmicrays,andthesolarradiationitselfthroughthephotoelectriceffect.Electrostaticallychargeddusthasalargetendencytoadheretosurfaces.NASA'sMarsexplorationrovershaveshownthatatmosphericdustfallingonsolarpanelscandecreasetheirefficiencytothepointofrenderingtheroverunusable.AndastheApollomissionstothemoonshowed,lunardustadhesioncanhindermannedandunmannedlunarexplorationactivities.Takingadvantageoftheelectricalactivityonbothplanetarysystembodies,dustremovaltechnologiesarenowbeingdevelopedthatuseelectrostaticanddielectrophoreticforcestoproducecontrolleddustmotion.ThispaperpresentsashortreviewofthetheoreticalandsemiempiricalmodelsthathavebeendevelopedforthelunarandMartianelectricalenvironments.
摘要：
火星和月球表面附近环境的电行为有着极为不同的起源，对载人和机器人行星探索任务是个挑战。
火星表面覆盖一层尘埃，因全球尘暴重新分布。
尘埃，被这些风暴也经常被尘卷风带入高空，一般认为因为在充满尘埃的大气中发生多颗粒碰撞而带电。
覆盖月球表面的尘埃一般认为因为太阳风、宇宙射线和太阳辐射本身通过光电效应而带电。
带电尘埃有很强的附着表面倾向。
美国国家航空航天局火星探测器证明大气尘埃落在太阳能电池板上轻则降低其效率，重则令其彻底报废。
阿波罗登月任务表明，月尘附着可能妨碍载人和无人月球探测活动。
利用两个行星的电行为，现在正在开发利用静电和介电泳力产生可控的尘埃运动的尘埃清除技术。
本文简述了针对月球和火星电环境开发的理论和半经验模型。
I.Introduction
MarsandtheEarth'smoonhaveverydifferentsurfaceandatmosphericenvironments,ascanbeseeninTables1and2.They,however,haveonethingincommon:
theirsurfacesarecoveredwitharelativelyhomogeneouslayerofdust.ThissurfacedustdominatestheelectrostaticenvironmentofMarsandplaysanimportantroleinthatofthemoon.
Ⅰ，简介
火星和地球的月亮有着完全不同的表面和大气环境，见表1和表2.然而，它们有一个共同点：
它们的表面覆盖着一层相对均匀的尘埃。
这种表面尘埃决定了火星的静电环境并且在月球表面起着重要作用。
表1.火星和月球的物理性质
火星月球
轨道倾斜度23°19’6°41’
轨道周期24小时37分27.3天
直径6796km3476km
质量0.64*1024kg7.35*1020kg
密度3.94g/cm33.36g/cm3
表面重力0.379g0.167g
表面温度-1400to20°C-1700to1300C
表2.火星和月球的大气性质
火星月球
表面压力5到101×10-12
（mbar）
气体%气体%
CO295Ar79.2
N22.7He19.8
组分Ar1.6O1
O20.15Na微量
H2O0.03H微量
Theseelectrostaticenvironmentsarefarfrombeingfullyunderstood.Thedesirefortheirstudygoesbeyondscientificinquiry.Humanandroboticexplorationmissionstobothbodiesrequireagoodunderstandingofthisenvironmenttoavoidfailuresandmishaps.
我们对这些静电环境还知之甚少。
对它们的研究欲望不仅仅是科学好奇。
对这两个星体的人类和机器人探测任务要求我们深入了解这个环境以避免失败和不幸。
2.LunarandMartianElectrostaticEnvironments
2.月球和火星的静电环境
2.1.TheMoon
2.1.月球
At10-12mbar,thelunaratmosphereisextremelyrarefiedanditsinfluenceintheelectrostaticenvironmentnearthesurfaceofthemoonisnegligible.Thisenvironmentisinsteadcontrolledbythefluxofphotonsandionsfromthesolarwind,cosmicrays,andgalacticcosmicrays.Thelunarsurfaceiscomposedofrocksandgranularmaterialwithgrainsanddustparticlesranginginsizefromafewcentimetersdowntoafewnanometers.ThisgranularmaterialisexpectedtobeelectrostaticallychargedduetotheincidentplasmaandtotheUVfromthesun,whichreleasesphotoelectronsfromthesurfaceofthematerial.
在10-12mbar压力下，月球大气及其稀薄，对月球表面附近的静电环境影响可以忽略。
月球的静电环境是由光子和太阳风、宇宙射线和星云宇宙射线带来的离子流主导的。
月球的表面是由岩石和颗粒物质构成的，这些颗粒和尘埃微粒的尺寸从几个厘米到几个纳米。
我们认为这些颗粒物质因入射等离子和太阳紫外线而带电，颗粒物质的表面失去光电子。
Theplasmaandphotonfluxesbathingthemoonproduceacomplexelectrostaticenvironment.Onthesunlitside,photoelectricchargingbysolarUVphotonsdominates.Theemissionofphotoelectronsleavesthesurfacepositivelychargedtoapotentialofabout5to10V[1].Onthedarkside,plasmaelectronsdominateandthesurfacebecomesnegativelychargedtoanegativepotentialortheorderoftheelectrontemperature,about-50to-100V[2].Themoonisessentiallyachargedbodyinaplasma,creatingascreeningeffectintheplasmawithacharacteristicdistanceorDebyelengthoftheorderofmetersonthelunardaysideandoftheorderofkilometersonthedarkside.ADebyesheathisthenfonnedaroundthemoonwhichreachesameterorsoonthedaysideandseveralkilometersonthenightside[3,4].ThenightsideDebyesheath,dominatedbyphotoelectrons,isusuallycalledthephotoelectronsheath.
等离子和光子流照射月球表面造成了复杂的静电环境。
在日照一面，太阳紫外线光电效应造成带电占主导。
光电子脱离表面造成物质带5到10V正电【1】。
在阴面，等离子电子占据主导，物质表面达到-50到-100V负电势或电子温度量级【2】。
月球实际上是个带电等离子，在月球的阳面米级和阳面公里级的特征距离或德拜距离内产生等离子屏蔽效应。
德拜屏蔽在月球阳面达一米或几米，在阴面可达几公里【3,4】。
阴面德拜屏蔽由光电子主导，通常称为光电子屏蔽。
Lunarsurfacepotentialsdependgreatlyonchangesinthesolarwindandcosmicrays,whichaffecttheplasmaenvironment.WhenthemooncrossestheEarth'splasma,negativesurfacepotentialscanreachseveralkV.Surfacepotentialsreaching-5kVwereobservedbyLunarProspectorduringperiodsofintensesolaractivity[5].
月球表面电势很大程度上取决于太阳风和宇宙射线带来的电荷，它们影响等离子环境。
当月球通过地球的等离子层时，表面负电势可达几KV。
LunarProspector探测器在密集的探月活动期间曾经观察到-5KV的表面负电势【5】。
Inourairlessmoon,itwouldseemlikelythatthedustonitssurfaceberelativelystatic.However,thecomplexelectrostaticenvironmentjustdescribedaffectsdustbehaviorinunexpectedways.Thereappearstobeevidenceofdustlevitationanddusttransportonthemoon.ThisissuehasbeencontroversialsinceitwasfirstraisedduringtheApollomissions[6].AhorizonglowwasreportedbyApolloastronauts[7]（Fig.1）.Thisglowhasbeeninterpretedasevidenceoftransientdustcloudsabovethelunarsurfacethatcouldreachseveralkmabovethesurface.ObservationswiththelunarSurveyorspacecraft[8]andtheLunarEjectaandMeteoritesExperiment（LEAM）onApollo17indicatedthepresenceofdustclouds[9].Althoughnotheoreticalmodelsatisfactorilyexplainsthephenomenon,ithasbeensuggestedthatelectrostaticchargingofthelunarsurfaceduetoexposuretochargedparticlesfromthesolarwindaswellasUVradiationcouldresultinthelevitationandtransportofdustparticles[10].
在我们的没有空气的月球上，尘埃看上去极有可能是相对静止的。
然而，刚刚谈到的复杂的静电环境对尘埃的影响超出了我们的想象。
似乎有证据表明尘埃漂浮和移动在月球上存在。
这个问题自它在阿波罗行动中首次提出一直饱受争议【6】。
阿波罗宇航员报告了地平线处有霞光【7】（见图1.）。
这个霞光被认为是月球表面透明的高达几公里的尘埃云的证据。
Surveyor月球探测飞船【8】和阿波罗17号的月球抛射物和流星试验的观察证明了尘埃云的存在【9】。
尽管没有令人满意的理论模型解释这种现象，它一直提示我们来自太阳风以及紫外线的带电粒子造成的月球表面带电导致尘埃颗粒漂浮和移动【10】。
（图片缺失）
Figure1.SketchesdonefromorbitbyApolloastronautsshowingstreamersreachingupto100kmfromthesurface.
[CourtesyNASA]
图1.轨道上的阿波罗宇航员画的草图表明漂浮带可达自月面100公里的高度
【NASA惠允】
2.2.Mars
火星
2.2.1ParticleSizeDistributionintheMartianAtmosphere
2.2.1火星大气的颗粒尺寸分布
ThesurfaceofMarsiscoveredwithalayerofdustthathasbeensomewhathomogenizedbyplanet-wideduststorms.Theseduststorms,whichhavewindvelocitiesupto32m/s,havebeenobservedtolastforseveralmonths（Fig.2）[11].Dustdevilsupto10kmhighweredetectedduringthe1997MarsPathfindermissionwithdailyfrequency.NASA'sMarsroverSpirithasphotographeddozensofdustdevilsfromitslocationinsidetheredplanet'sGusevCrater（Fig.3）.Opportunity,themission'ssecondrover,hadnotbeenabletocaptureanimageofadustdeviluntilthispastJuly,sixyearsafteritsarrivalonMars.Itslocation,onMeridianiPlanum,isnotasdusty.NASA'sPhoenixMarsLanderalsophotographeddustdevilsintheMartianarcticduringits2008mission.
火星表面覆盖着一层由遍及星球的尘暴某种程度上均匀分布的尘埃。
已观察到的这些尘暴的风速可达32m/s，持续几个月之久（图2.【11】。
1997年的MarsPathfinder行动天天发现了高达10公里的尘卷风。
NASA的勇气号火星探测器在这个红色星球的Gusev火山口处拍摄到了大量尘卷风的照片（图3.）机遇号，这个行动的第二个探测器，直到它达到火星6年后与去年的7月份才拍摄到尘卷风的照片。
它的位置在Meridiani大高原，并非多尘地区。
NASA的凤凰号火星登陆器也在它的2008年行动中在火星极地拍摄到了尘卷风的照片。
（图片缺失）
Figure2.AMartianglobalduststorm[CourtesyNASA].
图2.一个火星全球尘暴【NASA惠允】
Thesestorms,alongwiththefrequentdustdevils,carrydustparticlesthatareupliftedintothethinatmosphereoftheplanet.Theactualmechanismthatupliftsdustintotheatmosphereisstillnorclearlyunderstood.Fromtheknowledgeoftheterrestrialmechanism,ithasbeenproposedthatsaltationaidedbydustdevilsandthepresenceofelectricfieldsmayupliftdust[12,13].Fromopticaldatausinginstrumentsonorbitingspacecraftandonlanders,estimatesofthesizedistributionofdustparticlesintheatmospherehavebeenmade.Thesemeasurementsyieldavalueforparticlediameterof1.5±0.2μm.However,thesizedistributionofatmosphericdustchangeswiththepresenceofdustdevilsandduststorms,asonewouldexpect.Atthepeakofthe2001globalduststormdepictedinFigure2,particlediametersderivedfromdatafromtheThermalEmissionSpectrometeronboardtheMarsGlobalSurveyororbitingspacecraftrangedfrom2to5μm[14].
这些尘暴，以及频繁出现的尘卷风，把尘埃颗粒提升到这个星球的稀薄大气中。
提升尘埃到大气中的机理还没有搞清楚。
根据地形机理知识，人们普遍认为尘卷风造成的颗粒跃升和电场的存在可能提升了尘埃【12,13】。
根据轨道器和登陆器上的设备的光学观察数据，我们给出了火星大气中尘埃颗粒尺寸分布的估计。
这些测量给出了1.5±0.2μm的颗粒直径值。
然而，认同预期，大气尘埃的尺寸分布随着尘卷风和尘暴的存在而改变。
在图2描述的2001年全球尘暴高峰，火星全球探测器的轨道器的热辐射分光仪给出的颗粒直径从2到5μm不等【14】。
（图片缺失）
Figure3.AdustdevilphotographedbytheSpritroverthe488dayofthemission[CourtesyNASA]
图3.行动的地488天勇气号火星探测器拍摄到的尘卷风【NASA惠允】
UsingmeasurementsbytheMicroscopicImager（MI）ontheMarsExplorationRovers,Landisetalseemtofindevidenceforathree-componentparticledistributionforatmosphericdust:
Atmosphericdustsuspendedforlongperiodsoftime,withdiametersinthe2to4μm;settleddustraisedintotheatmospherebywindanddustdevils,withdiametersinthe10μmandunderrange;andsaltatingparticles,withdiametersgreaterthan80μm,
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