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“天問一號”火星探測預選著陸區Isidis-Elysium平原的塵暴概率研究
2020-07-29 15:57:08 李勃    (點擊次數:)

近日,山東大學太陽爆發及其對行星空間環境的影響攀登團隊成員,空間科學與物理學院、空間科學研究院9188彩票网app聯合吉林大學陳聖波教授團隊,在《(Earth and Space Science》(《地球與空間科學》)發表中國首次火星探測任務“天問一號”預選著陸區的火星塵暴發生概率研究論文。論文第一作者是9188彩票网app碩士生姚佩雯,通訊作者是李勃副教授。論文題目爲:“Evaluating the dust storm probability in Isidis-Elysium Planitia, a tentative landing area of China’s first Mars mission (Tianwen-1)” (Yao et al., 2020, Earth and Space Science, doi: 10.1029/2020EA001242) 。論文鏈接:https://doi.org/10.1029/2020EA001242

火星表面的塵暴活動發生于火星的所有季節,是火星最重要的大氣活動之一。限于工程技術和科學水平,早期的著陸探測器並未考慮氣象、地形等相關因素,因此著陸成功率非常低。首個著陸器“火星2登陸伊始就被全球性塵暴吞噬,火星3也因爲遇上塵暴導致通信系統被摧毀。2004年美國宇航局的勇气號机遇號著陸時間爲南半球夏季,遭遇到比預期更大的塵暴,著陸地點分別偏離預選著陸橢圓中心10.124.6公裏。此外,塵暴天氣使得能見度降低,並帶來大量沙塵沈積在太陽能板上,導致火星車可能會因爲電力不足而停止工作。因此,火星預選著陸區中塵暴的時空分布分析能力是火星探測任務中需要預先研究並且具有挑戰性的關鍵技術之一,關系到著陸任務能否成功並影響著陸精度,以及探測器後續正常運行狀況。

20207231241分,长征五號遥四运载火箭在海南文昌航天发射场将中国首次火星探测任务天问一號探測器成功發射,開啓火星探測之旅,邁出了中國自主開展行星探測的第一步。“天问一號”由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,将一次性完成“绕、落、巡”三大任务。Isidis-Elysium平原是中國火山探測任務的兩個預選著陸區之一(圖1),位于火星重要塵暴源區Utopia平原的南部。火星塵暴事件對火星著陸區的影響不能夠忽視,因此探究Isidis-Elysium平原及其周围区域的火星尘暴的時间和空间分布规律,对于“天问一號”任务的成功实现非常重要。

该研究基于火星尘暴活动的時空分布不均匀性特征和规律,利用MOCMARCI火星24-31年的彩色影像識別以Isidis-Elysium預選著陸區爲中心,2000km爲半徑的研究區圓內的塵暴對象共882个并提取这些尘暴的形状和位置参数;综合尘暴出现频率、覆盖面积百分比的加权平均和尘暴重复出现概率提出计算尘暴時空概率的方法,并对研究区的尘暴時空概率进行计算;得到研究区内尘暴活动具有明显的季节性和不均匀性,火星北半球秋冬两季的尘暴時间概率明显高于春夏两季,研究区内尘暴活动的两个活跃期分别是:Ls=176°-225° Ls=302°-355°(圖2);研究区内尘暴空间概率分布受地形、尘暴源区和尘暴移动路径的影响,尘暴空间概率总体上由北到南减小(圖3);最後對Isidis-Elysium预选着陆区的尘暴時间和空间安全性做出评价和分析,基于尘暴時空概率为“天问一號”探测任务选择出合适的着陆時间(Ls=20°-41°)和五個較安全的著陸區域。

該項研究受到民用航天項目、國家自然科學基金天文聯合基金重點項目、中科院先導專項項目、山東省自然科學基金簣D执髮W科技創新研究項目等課題聯合資助。山東大學自2006年起開始建設行星科學方向,在火星科學研究方面具有紮實的研究基礎。從火星硫酸鹽模擬研究,到火星隕石、火星遙感、火星大氣與表面環境模擬等研究,山大火星科學研究的腳步從未停止。到目前爲止,山東大學9188彩票网app已獲得火星研究相關民用航天項目、國家自然科學基金天文聯合基金重點項目、山東省自然科學基金等課題支持,在EPSLJGRIcarus等杂志发表相关论文二十余篇,成功搭建了激光诱导击穿光谱系统辅助未来火星探测数据科学解译。山大空间科学研究院相关教师入选了探月与航天工程中心组织的“首次火星探测任务科学目标先期研究团队”,正在为“天问一號”返回科学数据的研究分析作好准备。



1 “天问一號”预选着陆区圖示



2 Isidis-Elysium尘暴時间概率



3 Isidis-Elysium塵暴空間概率及安全著陸區選擇



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