【摘要】：火星蓮塘塵天氣頻發且時空尺度大,漂浮的火星塵埃顆粒造成的大氣不透明度和大氣濕度的變化對火星通訊、火星偵測器的安全著陸和表面運行都具有明顯影響。火星沙塵環境中基于電磁波技術的遙感偵測和無線電通訊對火星偵測任務的勝敗起著決定性作用。漂浮在火星大氣中的塵埃顆粒是極易帶電的,研究帶電火星塵埃的電磁波散射特點電磁波的發現,除了是闡明火星沙塵環境中大氣不透明度和大氣濕度的檢測結果與模型預測結果嚴重不一致的重要途經,也是確切理解火星塵埃顆粒對電磁波散射、衰減規律的基礎,對未來火星偵測任務具有重要的實際應用價值。因而,本論文圍繞火星大氣中帶電塵埃的電磁波散射模型、散射特點及其對塵埃光學深度、火星大氣濕度和電磁波衰減的影響展開了一系列基礎性研究,同時提出了基于帶電火星塵埃散射特點的應用,主要研究內容如下:首先,針對火星沙塵環境中飄浮塵埃粒徑細小且帶電量大的奇特屬性,提出了帶電火星塵埃的核殼散射模型。之后,應用核殼散射模型和已有的表面濁度率模型,首次研究了不同海拔高度處帶電火星塵埃顆粒的消光特點。結果發覺:在近地表至海拔40km的高度范圍內,對于3THz-300THz的紅外波段(火星軌道器上的大部份偵測波的頻度),兩個模型估算的帶電火星塵埃顆粒的消光系數是一致的;但是,對于漂浮在海拔高度40km以上的帶電塵埃顆粒(粒徑大于0.3μm),兩個模型的估算結果差別較大,月球上帶電沙塵顆粒常用的表面濁度率模型不再適用于研究帶電火星塵埃顆粒的散射特點。
其次,基于上述帶電火星塵埃顆粒的電磁波散射模型,研究了火星塵埃帶電對塵埃光學深度、大氣濕度以及電磁波衰減的影響。研究發覺:火星塵埃帶電對光學深度的有明顯的提高效應,但是顆粒帶電量越大,海拔高度越高(粒徑越小),塵埃顆粒帶電的影響越明顯,如對于頻度為3THz和10THz的偵測波,在海拔30km范圍內,帶電造成的提高率最大可以達到368.6%和209%;發覺塵埃帶電對火星沙塵環境中傳輸電磁波衰減提高,如對X波段電磁波(天問一號使用的頻段)衰減最大提高20倍;發覺塵埃帶電會提高大氣加熱速度,考慮塵埃帶電的影響后,大氣濕度的模型預測和觀測結果之間的差別率隨塵埃顆粒帶電量減小而降低,當表面電勢為0.3kV時差別率在5%以內。最后,研究了塵埃帶電對雷達偵測的影響,給出了火星和月球上常用雷達在偵測不同硬度沙塵天氣時的有效偵測范圍,基于此,提出了通過結合不同頻段的雷達偵測月球和火星上不同硬度的沙塵天氣的檢測方案。據悉,基于塵埃帶電對不同頻段偵測波散射特點的影響不同,提出了通過研究帶電火星塵埃顆粒對1THz和300THz兩束電磁波雜波硬度反演給出偵測區域內塵埃顆粒的帶電量方案。另外,基于塵埃和水冰云顆粒帶電發生的消光共振現象,提出了可以通過塵埃和水冰云顆粒發生消光共振的波長位置來辨識塵埃和水冰云顆粒的方式。綜上,本論文針對帶電火星塵埃對電磁波散射及其造成的火星環境濕度變化、火星塵埃環境中電磁波衰減規律等展開研究,為火星塵埃環境的遙感偵測研究提供了理論基礎電磁波的發現,相關推論對我國未來的火星偵測任務具有潛在的應用價值。
