趙志萍，趙陽東

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所飛行器總體部，上海201109)

從1958年美國(guó)和前蘇聯(lián)啟動(dòng)探月計(jì)劃開始，世界發(fā)達(dá)國(guó)家和航天技術(shù)大國(guó)都先后開展了多種類型的深空探測(cè)活動(dòng)，成為人類了解地球、太陽系和宇宙的一個(gè)重要手段。隨著航天科技和空間科學(xué)的發(fā)展，人類考察、勘探和定居太陽系其他星體的夢(mèng)想正在逐步成為現(xiàn)實(shí)。深空探測(cè)的目的通常包括觀測(cè)、勘探和深入研究三個(gè)不同的階段。通過深空探測(cè)，可以幫助人類了解太陽系及宇宙的起源、演變和現(xiàn)狀，研究地球環(huán)境的形成和演變，認(rèn)識(shí)空間現(xiàn)象和地球自然系統(tǒng)之間的關(guān)系。深空探測(cè)形成的成果，可以成為人類認(rèn)識(shí)自然、利用自然、發(fā)展自然的重要手段。火星被公認(rèn)為是太陽系中和地球最為相像的衛(wèi)星，1960年10月10號(hào)前蘇聯(lián)閃電號(hào)火星探測(cè)器載著人類探測(cè)火星的夢(mèng)想點(diǎn)火起飛，雖然未能進(jìn)入地球軌道就以失敗告終，但卻掀起了人類探測(cè)火星的大幕。無論從當(dāng)前還是長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，對(duì)火星的探測(cè)和對(duì)火星資源的開發(fā)利用都具有十分重要的戰(zhàn)略意義和科學(xué)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 火星磁場(chǎng)

火星上稀薄大氣中的中性成分在太陽極紫外輻射或高能沉降電子的作用下產(chǎn)生電離，便形成了電離層。觀測(cè)表明，火星全球性的固有磁場(chǎng)很小(約小于5 nT)［1］。因此，在高速太陽風(fēng)等離子體中，火星就像一個(gè)導(dǎo)電的球體，導(dǎo)電的電離層處在運(yùn)動(dòng)著的太陽風(fēng)磁場(chǎng)中，電離層內(nèi)產(chǎn)生電流，電流又形成感應(yīng)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)使得太陽風(fēng)等離子體和行星際磁場(chǎng)無法進(jìn)入火星表面附近幾百公里的范圍內(nèi)。太陽風(fēng)遇到障礙后，減速并產(chǎn)生方向偏轉(zhuǎn)，在行星的上游形成一個(gè)弓激波，在激波與電離層之間形成一個(gè)區(qū)域，即磁鞘，如圖1所示。由于火星全球性固有磁場(chǎng)很小，因此火星和太陽風(fēng)的相互作用過程與地球和太陽風(fēng)相互作用有很大的不同?；鹦桥c太陽風(fēng)相互作用形成感應(yīng)磁層無論是從尺度或結(jié)構(gòu)上都與地球磁層有著根本性的區(qū)別。和地球一樣，火星附近的磁場(chǎng)分布對(duì)火星附近的粒子分布起著關(guān)鍵的作用。因此，研究火星磁場(chǎng)對(duì)于火星探測(cè)具有重要的意義。

圖1 火星磁場(chǎng)示意圖

2 空間輻射環(huán)境

在火星環(huán)境的危害中，最嚴(yán)重的是輻射危害。航天員在飛往火星的旅途中可能遇到兩種輻射:一種是銀河宇宙輻射;另一種是太陽粒子輻射。此外如果火星飛船使用的是核動(dòng)力火箭，這就成為第三種輻射源。銀河宇宙輻射來源于銀河系，是一種高能帶電粒子流。粒子的能量可以高達(dá)1 020 eV，平均粒子通量為2.5 Particles/(cm2·s)。銀河宇宙輻射的粒子由于能量高，具有很強(qiáng)的貫穿能力，因此比較難防護(hù)。這種粒子的主要成分是質(zhì)子(約占85%)、α粒子(約占13%)以及原子序數(shù)大于2的元素的原子核(約占2%)［2］。在原子序數(shù)大于2的原子核中，有一類稱為高能重粒子，不僅原子序數(shù)大，而且能量極高，在銀河宇宙線中危害最大。它不僅能穿透載人飛船座艙的艙壁，而且擊中人體后能引起組織器官的嚴(yán)重?fù)p傷。當(dāng)太陽表面出現(xiàn)大耀斑時(shí)，常伴有大量高能帶電粒子發(fā)射出來，這種現(xiàn)象稱為太陽質(zhì)子事件。由于太陽質(zhì)子事件的輻射能量很高，對(duì)航天員有很大的危險(xiǎn)性，因此是載人火星探測(cè)的重要危害因素之一。太陽質(zhì)子事件發(fā)射的帶電粒子絕大多數(shù)是質(zhì)子，其次是α粒子，原子序數(shù)大于3的粒子很少。有些太陽質(zhì)子事件中觀測(cè)到碳、氮和氧的重核，數(shù)量?jī)H為α粒子的1/6。另外還可以觀測(cè)到原子序數(shù)為22～30的超重核，不過數(shù)量更少。在太陽活動(dòng)高的年份，發(fā)生太陽質(zhì)子事件的可能性較大。因此根據(jù)太陽活動(dòng)周期，可對(duì)太陽質(zhì)子事件作一定程度的預(yù)測(cè)。

太陽系中的高能電離輻射環(huán)境主要包括3個(gè)方面:輻射帶、銀河宇宙射線和太陽高能粒子。長(zhǎng)時(shí)間電離輻射環(huán)境防護(hù)是未來火星探測(cè)的重要任務(wù)。歐洲航天局在火星高能輻射環(huán)境模型項(xiàng)目的背景下，建立了兩種模型用來預(yù)測(cè)火星高能輻射環(huán)境為以后的火星探測(cè)任務(wù)參考?；鹦歉吣芰Ｗ虞椛洵h(huán)境模型，MEREM，就是為了模擬火星的輻射環(huán)境而發(fā)展起來的。EMEREM(The Engineering Martian Energetic Radiation Environment Model)和dMEREM(detailed MartianEnergetic Radiation Environment Model)模型分別是簡(jiǎn)化和細(xì)化的火星環(huán)境模型，它們是在Geant4和FLUKA輻射傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合火星大氣的氣候環(huán)境模型而建立的。MOLA(火星探測(cè)激光測(cè)高器)數(shù)據(jù)和γ射線分光儀數(shù)據(jù)分別被用來定義火星表面的布局和表面構(gòu)圖。dMEREM模型運(yùn)用了和MarsREC和PLANETOCOSMICS相似的蒙特卡羅輻射分析原理。dMEREM模型可以建立逼真的火星環(huán)境模型，但計(jì)算速度比較慢。eMEREM運(yùn)用了被QARM［3］所證實(shí)的模型建立方法，通過前處理器計(jì)算高能單粒子和阿爾法粒子在火星表面的屏蔽效應(yīng)。

衛(wèi)星遙感探測(cè)顯示火星南半球是古老的玄武巖高地，而北半球是新生的安山巖腹地。腹地形成的原因主要是隕石轟擊、火山爆發(fā)或者北半球曾經(jīng)是海洋［4］?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，火星上的氫元素是以冰態(tài)水形式存在于火星地表下的凍土中。同時(shí)根據(jù)火星衛(wèi)星測(cè)控，在火星北極越到極地氫元素的含量越高，因此推斷火星北極區(qū)域可能含有大量的冰凍水。有關(guān)氫元素含量情況的跟蹤分析表明，火星北極緯度55°到極地的區(qū)域含有氫化物。在火星赤道附近也發(fā)現(xiàn)了低濃度的氫化物，預(yù)計(jì)赤道附近的冰凍水將占整個(gè)火星冰凍水的2%～10%。此外，火星可能還有兩處較大的冰凍水源，一處火星上的沙漠地帶，另一處是在火星地表之下。

根據(jù)dMEREM模型，選取坐標(biāo)為緯度為0°，經(jīng)度也為0°，估算到此位置的土壤組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 5.3%的水，17.9%Fe2O3，44.6%SiO2，土壤密度為1.83 g/cm3。圖2顯示了此位置輻照環(huán)境 粒子的組成及通量［5］。

圖2 給定位置的全輻照粒子通量圖

根據(jù)dMEREM模型估算出太陽活動(dòng)最小和最大時(shí)的火星表面質(zhì)子和α粒子的劑量當(dāng)量，但太陽活動(dòng)最小時(shí)模型的估計(jì)量比現(xiàn)實(shí)的大約2.2倍。De Angelis也利用它們的模型估算了火星表面的劑量［5］，太陽活動(dòng)最大時(shí)為33.4 Sv/h，太陽活動(dòng)最小時(shí)為13.6 Sv/h。兩個(gè)模型的估算結(jié)果很相似，得到了相互印證。dMEREM模型數(shù)據(jù)沒有考慮到GCR粒子的貢獻(xiàn)，只是單單的運(yùn)用α粒子代替，因而只能反應(yīng)一部分能量。

3 火星氣候環(huán)境

法國(guó)研究中心和英國(guó)牛津大學(xué)在歐洲航天局的支持下，建成了火星氣候環(huán)境數(shù)據(jù)庫(MCDMars Climate Database)，數(shù)據(jù)庫采自全仿真的試驗(yàn)特征函數(shù)，可以為火星探測(cè)任務(wù)提供氣候環(huán)境的數(shù)據(jù)。和先前火星探測(cè)器采集的數(shù)據(jù)相比，MCD擁有逼真的仿真數(shù)據(jù)，是火星科學(xué)研究必不可少的工具。

MCD主要的參數(shù)有氣候溫度、帶狀風(fēng)速(緯度方向)、子午風(fēng)速(經(jīng)度方向)、大氣密度、湍流動(dòng)能、表面壓強(qiáng)、表面發(fā)射率以及二氧化碳冰覆蓋率等。數(shù)據(jù)庫為了方便統(tǒng)計(jì)將火星一年分為12個(gè)季節(jié)，將火星表面劃分為許多小格。

在火星探測(cè)器海盜號(hào)任務(wù)期間，兩個(gè)登陸器登陸火星北半球，收集了許多火星氣候的資料。圖3(下線為海盜一號(hào)，上線為海盜二號(hào)，突然跳躍的壓強(qiáng)由于塵暴使之在280°時(shí)停止)為海盜1號(hào)和2號(hào)在登陸火星后一個(gè)火星年內(nèi)所收集的火星平均表面壓強(qiáng)［6］。海盜一號(hào)登陸坐標(biāo)為北緯22°西經(jīng)48°，海盜二號(hào)的登陸地點(diǎn)為北緯48°西經(jīng)22.6°。表面壓強(qiáng)季節(jié)周期變化很大程度上是因?yàn)镃O2的凝結(jié)和升華造成的，盡管也有動(dòng)力學(xué)的成分［7］，但高頻振動(dòng)是由于氣體穿過登陸器而引起的［8－10］。圖4(下線為海盜一號(hào)，上線為海盜二號(hào))是火星氣候數(shù)據(jù)庫(MCD)根據(jù)氣候的主要影響因素模擬海盜號(hào)的一個(gè)火星年內(nèi)平均的火星表面壓強(qiáng)圖，預(yù)測(cè)的差異是由于MCD中氣候環(huán)境規(guī)律是一成不變的，沒有按照隨機(jī)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行預(yù)估。但整體而言火星氣候環(huán)境數(shù)據(jù)庫的模擬效果良好，對(duì)登陸火星有一定的參考價(jià)值。

圖3 火星表面一個(gè)火星年壓強(qiáng)圖

圖4 火星氣候數(shù)據(jù)庫模擬的一年內(nèi)觀測(cè)到的火星表面壓強(qiáng)圖

對(duì)于火星表面溫度的觀測(cè)一方面是來自火星衛(wèi)星的直接測(cè)量，另一方面則是來自地球衛(wèi)星的遙測(cè)。圖5和圖6(實(shí)線為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，虛線為模擬數(shù)據(jù))為海盜號(hào)登錄后測(cè)量的火星表面溫度［11］和MCD模擬的海盜號(hào)登陸后的溫度數(shù)據(jù)。海盜一號(hào)登陸坐標(biāo)為北緯22°西經(jīng)48°，海盜二號(hào)的登陸地點(diǎn)為北緯48°西經(jīng)22.6°。

圖5 海盜一號(hào)實(shí)測(cè)和MCD模擬的溫度數(shù)據(jù)圖

圖6 海盜二號(hào)實(shí)測(cè)和MCD模擬的溫度數(shù)據(jù)圖

通過海盜一號(hào)和二號(hào)實(shí)際采集的火星表面壓強(qiáng)和溫度數(shù)據(jù)可以實(shí)際指導(dǎo)火星探測(cè)計(jì)劃的方案，但由于火星探測(cè)器的數(shù)量以及采集數(shù)據(jù)的有限性，使得火星環(huán)境不能非常詳細(xì)、全面的被人類認(rèn)識(shí)和利用?；鹦菤夂颦h(huán)境數(shù)據(jù)庫則利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的收錄及數(shù)據(jù)的相似仿真技術(shù)為人類提供了火星氣候環(huán)境的全面可信的數(shù)據(jù)，對(duì)人類探索火星提供了足夠的環(huán)境支持。

4 結(jié)語

火星探測(cè)是我國(guó)未來載人深空探測(cè)的一個(gè)主要任務(wù)，因此必須對(duì)火星氣候環(huán)境進(jìn)行先期研究。本文就火星的磁場(chǎng)環(huán)境、空間輻射環(huán)境以及火星表面的溫度和壓強(qiáng)做了分析，總結(jié)闡明了國(guó)際火星環(huán)境探測(cè)的最新仿真模擬方法及一些仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)。未來我國(guó)的火星環(huán)境研究可以充分借鑒國(guó)外的先進(jìn)方法和經(jīng)驗(yàn)，建立我國(guó)自主的火星環(huán)境數(shù)據(jù)庫，為載人火星探測(cè)奠定基礎(chǔ)。

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