近年來，月球南極地區(qū)以其獨特光照條件以及可能的水冰分布成為各國爭相探測的目標。我國嫦娥七號任務計劃著陸在月球南極沙克爾頓坑附近，將對月球南極月表空間環(huán)境以及水冰分布進行綜合勘察。南極地區(qū)由于太陽高度角較低，很容易形成地形遮擋，造成較為復雜的月面電場分布。同時，月面帶電又會帶來塵埃靜電遷移，這些塵埃一方面會黏附在儀器表面對探測器造成傷害，另一方面又能以冰塵混合物形式改變極區(qū)水冰空間分布。因此，我們需要對月球南極附近的電場分布以及塵埃遷移特征進行深入研究。

　　最近，中國科學院國家空間科學中心的謝良海副研究員與蘭州空間技術物理研究所的趙呈選等人，利用自主建立的理論模型并結合數(shù)值模擬，對沙克爾頓坑附近的帶電及塵埃遷移特征進行了理論分析。沙克爾頓坑位于月球南極點附近（如圖1左欄所示，圖中SP點表示月球南極點），其直徑為21公里，深度為4.2公里，坑壁坡度達30°。由于太陽風的偏轉(zhuǎn)角一般小于20°，坑內(nèi)背風側太陽風離子將不能到達，只有熱速度占優(yōu)勢的電子能到達。因此，坑內(nèi)背風側將帶很強的負電。研究人員利用自主建立的地形遮擋模型，計算得到了沙克爾頓坑附近的電勢分布。如圖1右欄所示，坑內(nèi)背風側電勢最低為-175 V，并逐漸向迎風側增加到接近0 V?？舆吘壨黄鸩糠钟捎诮邮艿教柟庹瞻l(fā)射光電子而帶正電，最高為+2 V。

圖1 沙克爾頓坑附近海拔高度圖（左）以及理論計算得到的電勢分布圖（右）

　　月面帶電是通過月表塵埃顆粒帶電來實現(xiàn)的，即塵埃帶電極性與月面電位極性一致，而塵埃帶電多少取決于其半徑大小。由于相鄰塵埃顆粒帶同種電荷，最終部分塵埃顆粒會在靜電排斥力作用下離開月表，并在重力和空間電場力作用下而遷移。科研人員利用塵埃靜電噴泉模型計算了月表塵埃遷移特征。發(fā)現(xiàn)正常月面（圖2中左側坑外區(qū)域）的塵埃遷移活動并不明顯，遷移高度一般低于1公里。然而，從撞擊坑背風側發(fā)射的塵埃顆粒遷移高度可達10公里，水平距離半程為20公里（全程約為40公里）。此外，在撞擊坑下游邊緣附近（圖2右側區(qū)域）還存在次級地形遮擋效應，塵埃遷移可達高度5公里，水平距離最大為10公里。總體而言，地形遮擋帶來的塵埃靜電噴泉活動可造成沙克爾頓坑附近形成一個厚度為10公里，半徑約為40公里的局部塵埃云。

圖2 利用塵埃靜電噴泉模型得到的塵埃遷移距離，圖中藍點表示垂直遷移高度，綠點表示水平遷移距離

　　為了得到沙克爾頓坑附近的塵埃密度分布，研究人員還對月面帶電和塵埃運動進行了PIC（particle-in-cell）數(shù)值模擬。由于PIC模擬要求網(wǎng)格大小小于德拜長度，因此研究人員對撞擊坑尺寸進行了縮比處理。模擬發(fā)現(xiàn)撞擊坑周圍確實存在地形遮擋帶來的局部塵埃云，其塵埃密度可大于10⁴ /m3。同時，塵埃主要從撞擊坑背風側發(fā)射出來，其塵埃密度最大可達10⁵ /m3。這些塵埃遷移特征都與理論預期一致。此外，10⁴—10⁵ /m3的塵埃密度也與LADEE衛(wèi)星在撞擊坑附近的觀測結果一致。因此，該模擬結果是可信的，可借助該模型對月球南極附近塵埃環(huán)境進行定量分析。

圖3 數(shù)值模擬得到的塵埃密度（左）以及運動軌跡（右）

　　這些結果大大提高了人們對于月球南極地區(qū)電場和塵埃環(huán)境的認識，為后續(xù)月球極區(qū)探測活動塵埃防護以及塵埃探測方案的制訂提供了依據(jù)。特別是嫦娥七號任務將搭載電場和塵埃探測器，這些結果為分析嫦娥七號數(shù)據(jù)，取得進一步的科學發(fā)現(xiàn)打好了基礎。此外，這些研究成果也為研究其他無大氣天體的塵?；顒?，以及分析塵?；顒訉λ植伎赡艿挠绊懱峁┝藚⒖?。

　　目前該成果已在線發(fā)表在SCIENCE CHINA Earth Sciences上，該論文的第一作者為趙呈選，通訊作者為謝良海，論文鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11430-022-1143-3.

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