【摘要】：火星莲塘尘天气频发且时空尺度大,漂浮的火星尘埃颗粒造成的大气不透明度和大气湿度的变化对火星通讯、火星侦测器的安全着陆和表面运行都具有明显影响。火星沙尘环境中基于电磁波技术的遥感侦测和无线电通讯对火星侦测任务的胜败起着决定性作用。漂浮在火星大气中的尘埃颗粒是极易带电的,研究带电火星尘埃的电磁波散射特点电磁波的发现,除了是阐明火星沙尘环境中大气不透明度和大气湿度的检测结果与模型预测结果严重不一致的重要途经,也是确切理解火星尘埃颗粒对电磁波散射、衰减规律的基础,对未来火星侦测任务具有重要的实际应用价值。因而,本论文围绕火星大气中带电尘埃的电磁波散射模型、散射特点及其对尘埃光学深度、火星大气湿度和电磁波衰减的影响展开了一系列基础性研究,同时提出了基于带电火星尘埃散射特点的应用,主要研究内容如下:首先,针对火星沙尘环境中飘浮尘埃粒径细小且带电量大的奇特属性,提出了带电火星尘埃的核壳散射模型。之后,应用核壳散射模型和已有的表面浊度率模型,首次研究了不同海拔高度处带电火星尘埃颗粒的消光特点。结果发觉:在近地表至海拔40km的高度范围内,对于3THz-300THz的红外波段(火星轨道器上的大部份侦测波的频度),两个模型估算的带电火星尘埃颗粒的消光系数是一致的;但是,对于漂浮在海拔高度40km以上的带电尘埃颗粒(粒径大于0.3μm),两个模型的估算结果差别较大,月球上带电沙尘颗粒常用的表面浊度率模型不再适用于研究带电火星尘埃颗粒的散射特点。
其次,基于上述带电火星尘埃颗粒的电磁波散射模型,研究了火星尘埃带电对尘埃光学深度、大气湿度以及电磁波衰减的影响。研究发觉:火星尘埃带电对光学深度的有明显的提高效应,但是颗粒带电量越大,海拔高度越高(粒径越小),尘埃颗粒带电的影响越明显,如对于频度为3THz和10THz的侦测波,在海拔30km范围内,带电造成的提高率最大可以达到368.6%和209%;发觉尘埃带电对火星沙尘环境中传输电磁波衰减提高,如对X波段电磁波(天问一号使用的频段)衰减最大提高20倍;发觉尘埃带电会提高大气加热速度,考虑尘埃带电的影响后,大气湿度的模型预测和观测结果之间的差别率随尘埃颗粒带电量减小而降低,当表面电势为0.3kV时差别率在5%以内。最后,研究了尘埃带电对雷达侦测的影响,给出了火星和月球上常用雷达在侦测不同硬度沙尘天气时的有效侦测范围,基于此,提出了通过结合不同频段的雷达侦测月球和火星上不同硬度的沙尘天气的检测方案。据悉,基于尘埃带电对不同频段侦测波散射特点的影响不同,提出了通过研究带电火星尘埃颗粒对1THz和300THz两束电磁波杂波硬度反演给出侦测区域内尘埃颗粒的带电量方案。另外,基于尘埃和水冰云颗粒带电发生的消光共振现象,提出了可以通过尘埃和水冰云颗粒发生消光共振的波长位置来辨识尘埃和水冰云颗粒的方式。综上,本论文针对带电火星尘埃对电磁波散射及其造成的火星环境湿度变化、火星尘埃环境中电磁波衰减规律等展开研究,为火星尘埃环境的遥感侦测研究提供了理论基础电磁波的发现,相关推论对我国未来的火星侦测任务具有潜在的应用价值。
