月球光电子鞘层的三维模拟及月尘分布模型研究

本项目拟就月尘的带电、月面光电子鞘层的形成、月尘的输运过程进行全面的理论分析研究；并结合我国探月着陆器的特点，分析着陆器发动机羽流对月壤的作用，由此造成的月尘悬浮输运，从而定量给出不同空间位置月尘的密度分布。该项研究将为月尘效应的分析与防护提供基本数据，为保障探月工程的实施起到积极作用。

太阳辐照和空间等离子体可使月面带电并形成等离子体鞘层。向阳面电势主要受光电子控制，同时随太阳风参数而变化；背阳面电势则由月球尾迹内的等离子体分布决定。假定光电子和太阳风电子能量为麦克斯韦分布，依据等离子体鞘层理论，我们考察了光电子通量、太阳风电子温度、太阳风速度和密度等对月面鞘层电势的影响，并基于月球尾迹内等离子体的观测结果，计算了全月面的电位以及电场分布。结果表明，月面电势和鞘层厚度随太阳天顶角而变化，月面电场除了垂直分量外，还存在水平分量。垂直分量较强，向阳面指向空间，背阳面指向月面，日下点最大，可达数V/m；水平分量较弱，出现在晨昏及背阳面，晨昏线附近为东西向，背阳面则既有东西分量又有南北分量，最大值为数mV/m。. 带电的月尘在月面电场力及重力的作用下，产生悬浮、垂直震荡以及水平输运。我们建立了带电尘粒的运动及充电模型，并从能量转换守恒的角度，探讨了带电尘粒的运动规律。研究表明，由于月球重力场较强，只有亚微米级的尘粒才能稳定静电悬浮，悬浮的尘粒在月面上方形成一条尘埃带，尘埃带的高度及厚度随太阳天顶角而变化。在向阳面，稳定悬浮的尘粒较小，集中在靠近月面的一个薄带内；背阳面悬浮的粒径比向阳面大约1个量级，并可悬浮于较高处。尽管稳定悬浮的尘粒大小和电荷只取决于环境等离子体和光照条件，尘粒的初始电量和速度对尘粒的充电、振荡和阻尼运动过程有很大的影响，因此对粒子能否实现稳定悬浮可起到决定性的作用。. 晨昏线附近的水平电场可加速阴侧的尘粒并将其输运到阳侧，并最后沉积到晨昏线的向阳侧。由于水平电场较弱，带电尘粒的加速需要较长的时间，在此过程中，月球的自旋引起的光照变化，会对尘粒的充电和输运过程产生明显的影响。在黄昏处，由于电场加速与自旋方向相反，尘粒更长时间处于无光电子发射的状态，因此尘粒可以悬浮更长时间，水平方向的输运距离长达百公里以上。此外，太阳风光行差也是造成晨昏尘粒充电运动过程不对称的另外一个原因，但其影响小于自旋。. 静电作用可使月尘附着于与之接触的表面，给人类的探测带来严重问题。因此，月尘防护是探月任务需要考虑的重要问题。针对月尘的悬浮和输运机制，本项目提出月面电场、等离子体鞘层的探测方案，结合月尘的直接测量，为月尘效应的研究与防护提供基本数据。该项探测任务未来有望在我国探月工程得以实施。