近年來，月球南極地區(qū)以其獨(dú)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(biāo)。我國嫦娥七號任務(wù)計(jì)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(jìn)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(fù)雜的月面電場分布。同時(shí)，月面帶電又會(huì)帶來塵埃靜電遷移，這些塵埃一方面會(huì)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(jìn)行深入研究。

　　最近，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的謝良海副研究員與蘭州空間技術(shù)物理研究所的趙呈選等人，利用自主建立的理論模型并結(jié)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(jìn)行了理論分析。沙克爾頓坑位于月球南極點(diǎn)附近（如圖1左欄所示，圖中SP點(diǎn)表示月球南極點(diǎn)），其直徑為21公里，深度為4.2公里，坑壁坡度達(dá)30°。由于太陽風(fēng)的偏轉(zhuǎn)角一般小于20°，坑內(nèi)背風(fēng)側(cè)太陽風(fēng)離子將不能到達(dá)，只有熱速度占優(yōu)勢的電子能到達(dá)。因此，坑內(nèi)背風(fēng)側(cè)將帶很強(qiáng)的負(fù)電。研究人員利用自主建立的地形遮擋模型，計(jì)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(fēng)側(cè)電勢最低為-175 V，并逐漸向迎風(fēng)側(cè)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(jì)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(shí)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(huì)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?？蒲腥藛T利用塵埃靜電噴泉模型計(jì)算了月表塵埃遷移特征。發(fā)現(xiàn)正常月面（圖2中左側(cè)坑外區(qū)域）的塵埃遷移活動(dòng)并不明顯，遷移高度一般低于1公里。然而，從撞擊坑背風(fēng)側(cè)發(fā)射的塵埃顆粒遷移高度可達(dá)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(cè)區(qū)域）還存在次級地形遮擋效應(yīng)，塵埃遷移可達(dá)高度5公里，水平距離最大為10公里?？傮w而言，地形遮擋帶來的塵埃靜電噴泉活動(dòng)可造成沙克爾頓坑附近形成一個(gè)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(lán)點(diǎn)表示垂直遷移高度，綠點(diǎn)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(yùn)動(dòng)進(jìn)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(jìn)行了縮比處理。模擬發(fā)現(xiàn)撞擊坑周圍確實(shí)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(shí)，塵埃主要從撞擊坑背風(fēng)側(cè)發(fā)射出來，其塵埃密度最大可達(dá)10⁵ /m3。這些塵埃遷移特征都與理論預(yù)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(jié)果一致。因此，該模擬結(jié)果是可信的，可借助該模型對月球南極附近塵埃環(huán)境進(jìn)行定量分析。

圖3 數(shù)值模擬得到的塵埃密度（左）以及運(yùn)動(dòng)軌跡（右）

　　這些結(jié)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(rèn)識，為后續(xù)月球極區(qū)探測活動(dòng)塵埃防護(hù)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(wù)將搭載電場和塵埃探測器，這些結(jié)果為分析嫦娥七號數(shù)據(jù)，取得進(jìn)一步的科學(xué)發(fā)現(xiàn)打好了基礎(chǔ)。此外，這些研究成果也為研究其他無大氣天體的塵?；顒?dòng)，以及分析塵?；顒?dòng)對水冰分布可能的影響提供了參考。

　　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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