近年来，月球南极地区以其独特光照条件以及可能的水冰分布成为各国争相探测的目标。我国嫦娥七号任务计划着陆在月球南极沙克尔顿坑附近，将对月球南极月表空间环境以及水冰分布进行综合勘察。南极地区由于太阳高度角较低，很容易形成地形遮挡，造成较为复杂的月面电场分布。同时，月面带电又会带来尘埃静电迁移，这些尘埃一方面会黏附在仪器表面对探测器造成伤害，另一方面又能以冰尘混合物形式改变极区水冰空间分布。因此，我们需要对月球南极附近的电场分布以及尘埃迁移特征进行深入研究。
最近，中国科学院国家空间科学中心的谢良海副研究员与兰州空间技术物理研究所的赵呈选等人，利用自主建立的理论模型并结合数值模拟，对沙克尔顿坑附近的带电及尘埃迁移特征进行了理论分析。沙克尔顿坑位于月球南极点附近（如图1左栏所示，图中SP点表示月球南极点），其直径为21公里，深度为4.2公里，坑壁坡度达30°。由于太阳风的偏转角一般小于20°，坑内背风侧太阳风离子将不能到达，只有热速度占优势的电子能到达。因此，坑内背风侧将带很强的负电。研究人员利用自主建立的地形遮挡模型，计算得到了沙克尔顿坑附近的电势分布。如图1右栏所示，坑内背风侧电势最低为-175 V，并逐渐向迎风侧增加到接近0 V。坑边缘突起部分由于接受到太阳光照发射光电子而带正电，最高为+2 V。
图1 沙克尔顿坑附近海拔高度图（左）以及理论计算得到的电势分布图（右）
月面带电是通过月表尘埃颗粒带电来实现的，即尘埃带电极性与月面电位极性一致，而尘埃带电多少取决于其半径大小。由于相邻尘埃颗粒带同种电荷，最终部分尘埃颗粒会在静电排斥力作用下离开月表，并在重力和空间电场力作用下而迁移。科研人员利用尘埃静电喷泉模型计算了月表尘埃迁移特征。发现正常月面（图2中左侧坑外区域）的尘埃迁移活动并不明显，迁移高度一般低于1公里。然而，从撞击坑背风侧发射的尘埃颗粒迁移高度可达10公里，水平距离半程为20公里（全程约为40公里）。此外，在撞击坑下游边缘附近（图2右侧区域）还存在次级地形遮挡效应，尘埃迁移可达高度5公里，水平距离最大为10公里。总体而言，地形遮挡带来的尘埃静电喷泉活动可造成沙克尔顿坑附近形成一个厚度为10公里，半径约为40公里的局部尘埃云。
图2 利用尘埃静电喷泉模型得到的尘埃迁移距离，图中蓝点表示垂直迁移高度，绿点表示水平迁移距离
为了得到沙克尔顿坑附近的尘埃密度分布，研究人员还对月面带电和尘埃运动进行了PIC（particle-in-cell）数值模拟。由于PIC模拟要求网格大小小于德拜长度，因此研究人员对撞击坑尺寸进行了缩比处理。模拟发现撞击坑周围确实存在地形遮挡带来的局部尘埃云，其尘埃密度可大于104 /m3。同时，尘埃主要从撞击坑背风侧发射出来，其尘埃密度最大可达105 /m3。这些尘埃迁移特征都与理论预期一致。此外，104—105 /m3的尘埃密度也与LADEE卫星在撞击坑附近的观测结果一致。因此，该模拟结果是可信的，可借助该模型对月球南极附近尘埃环境进行定量分析。
图3 数值模拟得到的尘埃密度（左）以及运动轨迹（右）
这些结果大大提高了人们对于月球南极地区电场和尘埃环境的认识，为后续月球极区探测活动尘埃防护以及尘埃探测方案的制订提供了依据。特别是嫦娥七号任务将搭载电场和尘埃探测器，这些结果为分析嫦娥七号数据，取得进一步的科学发现打好了基础。此外，这些研究成果也为研究其他无大气天体的尘埃活动，以及分析尘埃活动对水冰分布可能的影响提供了参考。
目前该成果已在线发表在SCIENCE CHINA Earth Sciences上，该论文的第一作者为赵呈选，通讯作者为谢良海，论文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11430-022-1143-3.
（供稿：天气室）
