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“天问一号”火星探测预选着陆区Isidis-Elysium平原的尘暴概率研究
2020-07-29 15:57:08 李勃    (点击次数:)

近日,山东大学太阳爆发及其对行星空间环境的影响攀登团队成员,空间科学与物理学院、空间科学研究院行星科学团队联合吉林大学陈圣波教授团队,在《(Earth and Space Science》(《地球与空间科学》)发表中国首次火星探测任务“天问一号”预选着陆区的火星尘暴发生概率研究论文。论文第一作者是行星科学团队硕士生姚佩雯,通讯作者是李勃副教授。论文题目为:“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) 。论文链接:https://doi.org/10.1029/2020EA001242

火星表面的尘暴活动发生于火星的所有季节,是火星最重要的大气活动之一。限于工程技术和科学水平,早期的着陆探测器并未考虑气象、地形等相关因素,因此着陆成功率非常低。首个着陆器“火星2登陆伊始就被全球性尘暴吞噬,火星3也因为遇上尘暴导致通信系统被摧毁。2004年美国宇航局的勇气号机遇号着陆时间为南半球夏季,遭遇到比预期更大的尘暴,着陆地点分别偏离预选着陆椭圆中心10.124.6公里。此外,尘暴天气使得能见度降低,并带来大量沙尘沉积在太阳能板上,导致火星车可能会因为电力不足而停止工作。因此,火星预选着陆区中尘暴的时空分布分析能力是火星探测任务中需要预先研究并且具有挑战性的关键技术之一,关系到着陆任务能否成功并影响着陆精度,以及探测器后续正常运行状况。

20207231241分,长征五号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号探测器成功发射,开启火星探测之旅,迈出了中国自主开展行星探测的第一步。“天问一号”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平原是中国火山探测任务的两个预选着陆区之一(图1),位于火星重要尘暴源区Utopia平原的南部。火星尘暴事件对火星着陆区的影响不能够忽视,因此探究Isidis-Elysium平原及其周围区域的火星尘暴的时间和空间分布规律,对于“天问一号”任务的成功实现非常重要。

该研究基于火星尘暴活动的时空分布不均匀性特征和规律,利用MOCMARCI火星24-31年的彩色影像识别以Isidis-Elysium预选着陆区为中心,2000km为半径的研究区圆内的尘暴对象共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时空概率的方法,并对研究区的尘暴时空概率进行计算;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时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°(图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(图3);最后对Isidis-Elysium预选着陆区的尘暴时间和空间安全性做出评价和分析,基于尘暴时空概率为“天问一号”探测任务选择出合适的着陆时间(Ls=20°-41°)和五个较安全的着陆区域。

该项研究受到民用航天项目、国家自然科学基金天文联合基金重点项目、中科院先导专项项目、山东省自然科学基金和吉林大学科技创新研究项目等课题联合资助。山东大学自2006年起开始建设行星科学方向,在火星科学研究方面具有扎实的研究基础。从火星硫酸盐模拟研究,到火星陨石、火星遥感、火星大气与表面环境模拟等研究,山大火星科学研究的脚步从未停止。到目前为止,山东大学行星科学团队已获得火星研究相关民用航天项目、国家自然科学基金天文联合基金重点项目、山东省自然科学基金等课题支持,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“天问一号”返回科学数据的研究分析作好准备。



1 “天问一号”预选着陆区图示



2 Isidis-Elysium尘暴时间概率



3 Isidis-Elysium尘暴空间概率及安全着陆区选择



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