太空中的PM2.5——太阳系尘埃动力学研究进展

姜 宇

(1. 宇航动力学国家重点实验室，西安 710043； 2. 西安卫星测控中心，西安 710043；3. 奥卢大学天文研究中心，奥卢 90570)

0 引 言

地面空气中的PM2.5又称为细颗粒物(fine particulate matter)，是粒径在2.5 μm以下的尘埃颗粒物的统称，细尘埃颗粒可以进入人的细支气管和肺泡，对人体健康造成威胁[1]。尘埃也称粉尘，其来源包括：土壤的扬尘、宇宙尘埃等自然尘埃，工厂废气、燃煤、燃油等产生的人造尘埃，以及植物花粉、孢子等。尘埃在太阳系中也广泛存在，行星际、大行星附近、小行星和彗星附近等都存在尘埃。尘埃可能沉积在航天器表面，从而对航天器的表面造成污染[2]，污染物的日积月累会对航天器的能源、温热控、光学遥感等分系统均可造成不良影响[3-4]。有关尘埃颗粒的研究在航天器的表面污染、太阳系早期形成与演化、星际物质迁徙、行星环的形成与演化、活动小行星的尘埃尾以及彗星的彗尾探测、宇宙化学等领域的重要作用，使得尘埃动力学成为当前空间科学的前沿热点课题。

行星际尘埃由于逃脱了水、热处理、重力压缩和冲击碰撞，比陨石或行星表面的岩石更适用于探测太阳系早期形成过程中的原行星盘[5]。彗星的彗尾、活动小行星的尘埃尾、木星的尘埃环、地球的日心轨道环等都是由尘埃颗粒组成的。黄道光也是由尘埃颗粒形成的，一种在地面中低地球纬度范围内可见的宇宙尘埃现象称为黄道光。黄道光是春季黄昏朝西方地平线方向或秋季黎明前朝东方地平线方向可见的三角形光锥，由一些环绕太阳运行的尘埃颗粒反射太阳光而形成，这些尘埃颗粒也称为黄道光粒子[6-7]。

太阳系尘埃的成分[8-9]主要由硅酸盐、石墨、水、甲烷、固态二氧化碳等组成。Altobelli等[8]使用卡西尼号探测器上的宇宙尘埃分析仪研究了在土星系统中收集的36个尘埃颗粒的质量分布和元素组成，发现存在富含镁的硅酸盐颗粒和氧化物组分，部分尘埃颗粒存在铁元素；此外，主要的成岩元素如镁、硅、铁和钙以宇宙丰度存在。Wurz等[9]报告了罗塞塔探测器(Rosetta)针对彗星67P/Churyumov-Gerasimenko (67P/CG)自2014年10月至2016年7月期间9种尘埃颗粒的收集和分析结果，发现这些尘埃颗粒的主要的化学成分是碳氢化合物、含氧烃、含氮分子、含硫分子、卤化分子和其他物质如水、二氧化碳等。

尘埃的形状是非球形的，其内部物质组成也是非均匀的[10]。通常尘埃的结构不同引起其散射特征的不同，因此可以采用研究尘埃的散射特征来分析尘埃的结构特征，同时尘埃的散射特征又决定了其太阳辐射压力的系数[11]，因此尘埃的结构特征间接决定了其受到的太阳辐射压加速度。图1给出了球形尘埃颗粒受到的太阳辐射压系数Ωpr与尘埃尺寸D之间的关系，计算采用的真空波长为6.0×10-9m。Greenberg和Gustafson[6]在由彗星材料形成星际尘埃的假定下，针对黄道光粒子提出了被称为鸟巢结构的缠结的杆状模型，该结构特征可以合理地再现黄道光粒子的可见辐射的散射主要特征。Zerull等[12]使用聚集体颗粒模型研究了尘埃颗粒的微波模拟光散射测量，聚集体由一种吸收性化合物包裹覆盖，发现覆盖厚度影响散射特性。Greenberg和Li[13]给出的彗星尘埃模型为蓬松(多孔)的颗粒聚集体，由0.1μm的硅酸盐核心和有机耐火地幔和主要为水冰的外地幔包裹，含有粒径在1～10 nm范围内的嵌入碳和多环芳烃型颗粒；水的质量占比接近30%，耐火材料和挥发物比例接近1∶1。太阳系不同区域的尘埃的结构特征可能有所不同，Quinn等[14]的研究表明靠近太阳的行星际尘埃粒子数量由球粒陨石多孔尘埃粒子主导，而不是由球粒陨石光滑尘埃粒子主导。

图1 尘埃颗粒受到的太阳辐射压系数与尘埃颗粒尺寸之间的关系Fig.1 The relationship of the efficiency factor for radiation pressure and the size of dust grains

尘埃的尺寸或质量服从幂律分布，以亚微米级颗粒为主[10]。在密度确定条件下，尺寸分布可唯一确定大量尘埃颗粒的质量分布，反之，质量分布可唯一确定大量尘埃颗粒的尺寸分布。彗星尘埃的密度约为0.6 g·cm-3 [15-16]。除此以外，以硅酸盐为主的尘埃的密度为2.5 g·cm-3，而以碳氢氧氮化合物为主的尘埃的密度约为1.0 g·cm-3 [17]。Grün等[18]通过对彗星Hale-Bopp尘埃的的亚毫米光谱范围内的观测结果表明存在毫米级颗粒。Kolokolova等[10]的研究结果表明彗星尘埃颗粒的尺寸范围跨度从亚微米到毫米甚至厘米或更大。目前国际上尚无尘埃颗粒最大尺寸的界限，一般文献研究的尘埃颗粒的尺寸在数十纳米至毫米级之间。

一个典型的尘埃颗粒的生命周期中的物理化学变化过程为：以硅酸盐颗粒组成的尘埃颗粒在生成以后，硅酸盐颗粒在5～15 K的温度下冷却，气体原子和分子吸积在其表面形成霜幔，此后气体和固体之间的复杂化学反应产生水和一氧化碳，紫外线辐射破坏简单的分子从而形成新的物质和复杂的有机分子，尘埃颗粒在轨迹演化过程中进入低密度区域，挥发性的冰壳经过光加工和蒸发，要么被破坏，要么剩下复杂的有机耐火材料冰壳。尘埃颗粒进一步受到光加工和破坏，分解为更小的尘埃颗粒，这一过程重复多次(～50)直到尘埃颗粒被完全消耗掉或者尘埃颗粒参与形成或进入行星、小行星或彗星。一个由硅酸盐组成的尘埃颗粒的平均寿命为5×109年[19-20]。

1 尘埃的来源与生成机制

尘埃颗粒可能通过多种方式产生，包括行星际碎石撞击行星、小行星、行星卫星、小行星卫星[21]等的表面引起尘埃颗粒的溅射生成，还包括小行星、彗星表面的羽流喷泉涌出生成；此外，行星环中颗粒之间的碰撞以及小行星等天体表面颗粒物质的风化脱落等也可以产生尘埃颗粒，不同的产生过程其力学机理各不相同。不同区域的尘埃颗粒的起源也有所不同，例如行星际尘埃和小行星101955 Bennu附近的尘埃颗粒的起源就有很大不同。小行星101955 Bennu附近的尘埃颗粒的主要来源是它的表面，而行星际尘埃颗粒的来源则多种多样，包括木族彗星、小行星、大行星的卫星等[22]。本节介绍尘埃的起源及其生成机制。

1.1 尘埃的来源

内太阳系的行星际尘埃的起源主要有4种，包括木族彗星、小行星、哈雷型彗星、奥特云彗星[22-23]，这种起源包括从上述星体直接排放的尘埃颗粒，也包括从上述星体排放的微陨石超高速冲击小行星、彗星和大行星的卫星表面而溅射出来的尘埃颗粒。对于地球附近的尘埃颗粒来说，其起源还包括卫星与卫星、碎片或微流星体与卫星或碎片等的超高速碰撞[24-27]。Messenger等[28]在一些行星际尘埃颗粒中发现6个硅酸盐颗粒，对其成分和丰度的分析表明这些尘埃颗粒的潜在的来源是短周期彗星，认为它们可能拥有太阳系形成时期至今变化最少的残余物。

加拿大流星轨道雷达的雷达操作使得年轻和中等古老的流星流与分散的流星阵发背景成分区别开来[23,29-30]，后者根据地球观测者可见的广泛辐射区域分为三大类：日源和反日源[31]，南北顶点源[32]以及南北环形源[33]，其中日源和反日源以及北顶点源主要是木星家族彗星和新彗星释放的尘埃[33]。Pokorny等[23]从阵发的流星体复合体的环状源中发展出一个稳态模型，将该模型与加拿大流星轨道雷达可用的测量结果进行比较，以研究模型中的阵发流星体的整个数量对尘埃颗粒的贡献，发现环形颗粒的长期稳定部分主要由Halley型彗星释放的尘埃供给。Carrillo-Sánchez等[22]将四种已知的尘埃源木族彗星、小行星、Halley Type彗星和Oort Cloud彗星的模型中的质量、速度和辐射点分布与化学消融模型相结合，以估计Na和Fe注入地球上层大气的速率，结果表明木族彗星贡献了(80±17)%的总输入质量。

1.2 溅 射

行星际微流星体超高速冲击天体的表面会溅射出大量尘埃颗粒，这一尘埃溅射过程发生在太阳系所有无气体的天体上[34]。每年月球被约106kg的射弹—行星际微流星体轰击，这些微流星体起源于彗星和小行星，绝大多数的尺寸从10 nm到1 mm不等，这种轰击可以发掘的月球土壤质量可达射弹自身的1000倍，轰击将产生大量尘埃颗粒[35]。美国“勘测者”号(Surveyor)月球探测器和“阿波罗”号(Apollo)宇航员相继发现在月球上日出时在月球地平线上方显示出明显的发光，称为地平线发光，被认为是尘埃现象[35]，这种尘埃现象产生的主要流星体通量由短周期彗星提供[36]。月球尘埃也称为月尘[37-39]。Horányi等[40]报告了月球周围永久性不对称尘埃云(简称为尘云)的观测结果，这些尘云是由偏心轨道上的彗星尘埃粒子高速撞击月面造成的缥缈的月球溅射云，他们发现尘云的密度在年度流星雨期间增加，并猜想所有的行星目标都沉浸在类似的缥缈尘云中。不仅地球的卫星-月球被微流星超高速轰击产生尘埃，其它的行星卫星也会被微流星体高速轰击产生尘埃，在伽利略号木星探测器接近伽利略卫星的几分钟内，尘埃探测仪检测到撞击率提高，表明大量喷射尘埃来自这些卫星；也就是说，所有的伽利略卫星都是喷射尘埃的来源[41]。

月球受到射弹冲击后产生的喷射物的大部分仍然最终回到月球[42]，木星卫星受到射弹冲击后产生的喷射物最终可形成尘埃环[43]，而小行星受到射弹冲击后产生的喷射物的大部分将会排出，从而进入行星际尘埃种群[44]。Szalay等[45]使用4种不同的来源模拟内太阳系陨星流环境，包括木族彗星、哈雷型彗星、奥特云彗星和主带小行星，以分析由大量尘埃颗粒组成的冲击溅射云的密度分布；日本将要实施的DESTINY+(Demonstration and Experiment of Space Technology for INterplanetary voYage)任务的尘埃探测仪有效面积假定为310 cm2，对尘埃颗粒的最小可探测尺寸为50 nm，则探测器飞越活动小行星3200 Phaethon的飞越距离分别为100 km、300 km和500 km对应的尘埃颗粒检测数量约分别为100个、30个和20个[45]。

1.3 表面喷射

表面喷射(surface jets)是彗星表面释放尘埃颗粒的主要方式[46-47]。Farnham等[46]概述了深度撞击任务(Deep Impact Mission)对彗星坦普尔1号(9P/Tempel 1)接近和邂逅阶段的尘埃尾观测结果，在接近期间观测到3个不同的射流，射流的旋转周期为1.7天，与坦普尔1号的自旋周期相同[48]；最明亮的射流产生弧形特征，喷射速度约为12 m/s，Farnham等[46]据此推断尘埃彗发的主要组成是毫米级的尘埃颗粒。随着探测器与彗核距离的接近，可观测到更多的射流。罗塞塔探测器于2014年7月至8月期间观测到彗核67P/Churyumov-Gerasimenko表面Hapi、Hathor、Anuket和Aten区域的彗核活动产生了大规模的射流状特征[47]。从喷射位置来看，根据喷射流的存在，可以推断一部分气体和尘埃是从彗核表面地壳的通风口、裂缝、缺口或坑排出的，同时气体和尘埃可以通过可渗透的地幔渗透至表面而产生更多的均匀的背景排放[46,49]。

1.4 风化、滑坡、质量脱落与旋转断裂

天体表面岩石在辐射、冻融等的作用下会发生物理风化和化学风化，使得岩石发生崩裂破碎，伴随着尘埃的产生[50]。此外，天体表面发生滑坡、质量脱落等现象的时候，也会伴随着尘埃颗粒的产生。当天体受到的潮汐力发生变化时，其表面可能发生滑坡现象。而当小天体在YORP效应作用下自旋速率增大时，表面可能发生质量脱落现象，称为旋转质量脱落。旋转质量脱落是因小行星快速自旋引起的强烈的离心力而导致表面物质飞散[51]。此外，小天体表面不稳定平衡处的自由颗粒可能发生自然脱落，产生尘埃颗粒。在小天体受到的潮汐力或其自身的旋转速率发生变化时，滑坡和质量脱落可能是同时发生的。例如，快速自旋的小行星除了可能发生旋转质量脱落以外，还可能发生浮土层滑坡[52]。除了风化脱落和滑坡以外，其它的小行星、彗星、流星体的动力学过程也会产生尘埃颗粒，包括旋转断裂[53]、潮汐破坏[54]等。

2 尘埃的充电过程与磁场环境

在溅射等方式产生尘埃颗粒以后，尘埃颗粒暴露于等离子体和紫外线辐射的空间环境中会发生充电而带有电荷[55]。尘埃的充电机理包括：电子和离子电流、二次电子电流[56]、光电子电流、移动颗粒的离子电流等[55]。其中电子和离子电流方式是尘埃颗粒受到电子和离子的轰击而带电。一些轰击尘埃颗粒的粒子带有足够高的能量从而使得尘埃材料被电离而产生二次电子，如果存在二次电子电流，则二次电子电流是正的尘埃颗粒充电电流。尘埃颗粒处在紫外线-光子的照射之下，这种照射足以产生光电子，特别是在极紫外波长情况下具有相当大的光电产量，光电子的逃逸使得尘埃颗粒中产生电流，称为光电子电流[57]。尘埃颗粒充电一定时间后，会达到电荷平衡状态[58]，如果空间天气发生变化，则尘埃颗粒会发生电荷涨落现象[59]。

带电的尘埃颗粒处在行星际磁场或行星磁场之中，这就使得尘埃颗粒的运动还受到电场和磁场的影响。不同的行星的磁场特性如磁矩、磁场强度量级、偶极子存在与否及倾斜程度等可能有较大差异[60]，例如地球、木星、天王星表面磁场强度的近似平均值分别为5×10-5T、4.2×10-4T、2×10-5T。通常可以通过球谐系数来计算尘埃颗粒在行星附近的磁场强度。图2给出了木星和天王星表面磁场强度的模，单位为高斯，计算所需的磁场球谐系数分别来源于Connerney等[61]与Holme和Bloxham[62]。

图2 行星表面磁场强度标量值Fig.2 The magnetic field intensity on the surface of planets

3 尘埃的受力模型与分布特征

尘埃颗粒除了受到引力的作用以外，还受到洛伦兹力、太阳辐射压力等的作用。不同的引力、磁场、太阳紫外辐射、等离子体等的环境下的尘埃颗粒受到的力的加速度不同，同等环境条件下，不同尺寸、密度、形状与结构的尘埃颗粒之间的受力加速度也有所不同。在尘埃颗粒与行星、行星卫星、小行星、彗星的万有引力方面，尘埃颗粒扮演着无质量质点的角色。尘埃受到的辐射压力加速度大小与其尺寸和质量相关；尘埃颗粒的组成和结构决定了其物质密度，从而影响其面值比、吸收和散射特性，尘埃的形状和尺寸也对其吸收和散射特性有所影响[63]。虽然不同的尘埃颗粒之间的物理参数有所差异，但大量尘埃颗粒的质量、尺寸、速度等呈现出一定的统计特征，使得尘埃在空间分布的数密度、不同质量、不同尺寸、不同速度的尘埃颗粒的数密度不同[64]。

3.1 受力模型

太阳系的尘埃颗粒受到引力、洛伦兹力、太阳辐射压力[61,65]、Poynting-Robertson拖曳[65]、等离子体拖曳等[66]。尘埃颗粒处在不同的运动环境下，需要考虑的受力情况有所不同；例如对于彗星尘埃来说，主要考虑彗星和太阳对尘埃颗粒的引力、太阳辐射压力[67]；对于木星尘埃来说，往往除了需要考虑太阳和大行星的引力以外，还需要考虑木星磁场和太阳风磁场对尘埃颗粒的洛伦兹力[68]。不同尺寸的尘埃颗粒受到的电磁力加速度不同，这将分散不同尺寸的颗粒的运动轨迹[55]。

3.2 单个尘埃的运动

依据所处的环境的不同，单个尘埃颗粒可以分为行星际尘埃[22]、行星尘埃[69]、特洛伊尘埃[68,70]、小行星和彗星尘埃[71-72]等多种不同类型的尘埃颗粒。所处的空间环境不同导致尘埃颗粒的动力学行为有所差异。Kortenkamp[73]使用数值方法模拟了行星际尘埃粒子在辐射压力，Poynting-Robertson拖曳，太阳风拖曳和行星引力摄动的影响下向地球演化的过程。Schaffer和Burns[74]采用分析和数值方法来研究行星磁层中带电尘埃颗粒的动力学，发现在倾斜的偶极磁场中运动时，大部分中等电荷和高电荷粒子在几百小时内都将进入行星大气中。

Hartzell和Scheeres[75]研究了小行星和月球附近悬浮尘埃的动力学，计算了尘埃粒子围绕平衡运动的稳定性和时间尺度，发现悬浮尘埃颗粒的初始速度受到粒子尺寸的影响，对中心物体的质量和粒子的电荷的数值变化不敏感。Kozai[76]导出了从彗星喷出的尘埃粒子的二体问题轨道摄动的解析表达式，摄动力包括了太阳辐射压力；发现彗星尘埃颗粒的半长轴、偏心率和近日点距离三者的导数取决于喷射速度、颗粒尺寸和喷射点的真近点角。Molina等[77]在假定彗核和尘埃颗粒都是球形和尘埃颗粒在彗核表面径向喷射的情况下，考虑了太阳引力、彗星引力和辐射压力，研究了尘埃颗粒的边界轨道和若干个轨道周期中的稳定性。Jiang等[67]研究了彗星带电尘埃颗粒的平衡点的稳定性，分析了尘埃颗粒的电荷、质量和相对彗核的距离的变化对尘埃颗粒受到的太阳引力、彗星引力、辐射压等的影响。

3.3 分布特征

通常来说，太阳系中不同空间位置处的尘埃颗粒的质量分布、速度分布各不相同。彗核自然排放的尘埃颗粒的分布特征和超高速冲击溅射排放的尘埃颗粒的分布特征存在差异。不同空间位置处行星际尘埃的分布特征和该处的日心距离有关[78]。Krivov等[79]研究指出不同日心距离处的小行星和彗星数量不同，微流星体超高速冲击这些小天体表面会溅射产生大量尘埃颗粒。Housen和Holsapple[80]总结了来自18项研究的撞击坑喷射物的实验测量，检查了这些数据并应用于评估撞击事件对溅射速度分布和质量分布的影响，提出了一种针对溅射质量与速度分布的点源尺度模型。木星、土星等行星附近尘埃的分布特征通常和微流星体超高速冲击行星的卫星有关[81]。Krüger等[81]给出了行星际微流星体超高速撞击木卫三的尘埃云质量分布，并考虑了尘埃云的速度分布，发现用行星际微流星体作为撞击物撞击木卫三表面计算的空间尘埃密度计算与伽利略号探测器测量得出的尘埃密度一致，表明木卫三的尘埃云是经由微流星体对木卫三表面的超高速撞击而引发的。Ott等[72]给出了罗塞塔探测器(Rosetta)上的光学、光谱和红外远程成像系统仪器测量到的彗星67P/Churyumov-Gerasimenko排放的262个尘埃颗粒的尺寸分布、质量分布和速度分布，并发现这些尘埃颗粒相对彗核的平均速率为2.4 m·s-1，估计出该彗核在近日点的总质量损失速率约为8300 kg·s-1。

部分行星际尘埃颗粒会进入行星大气层[82]，Carrillo-Sánchez等[83]研究了进入地球大气层的宇宙尘埃的尺寸与速度分布，认为其中很大一部分是由质量小于5 μg、速度小于15 km·s-1的尘埃颗粒组成。将尘埃的尺寸和速度分布与化学烧蚀模型相结合，可以预测不同元素注入地球大气层的速率[84]。在三个宇宙尘埃源：木族彗星、小行星带和哈雷型彗星的金属和有机物对地球、火星和金星大气的贡献之中，木族彗星是主要的质量贡献者[85]。

4 航天任务的尘埃探测

伽利略号木星探测器(Galileo)和尤利西斯号太阳探测器(Ulysses)上安装的尘埃探测仪由德国马克斯·普朗克核物理研究所研制[86]，该仪器对尘埃颗粒探测的速度独立的灵敏度阈值为5 km·s-1对应1.2×10-13g，10 km·s-1对应1.5×10-14g，20 km·s-1对应2.0×10-15g，40 km·s-1对应1.3×10-16g。伽利略号在1989年12月至1992年1月期间多次穿越0.7 AU至2.26 AU之间的行星际空间，记录了374次尘埃撞击，观测到的撞击频率从0.1次/天到3次/天，撞击频率的高低取决于探测器朝向太阳还是远离太阳[87]。尤利西斯号在1990年10月至1992年1月期间与太阳的距离为5.17AU，记录了72次尘埃撞击，撞击频率从0.1次/天到0.5次/天[87]。Grün等[88]报告了尤利西斯号探测器飞越木星过程中，在距离木星1 AU以内，尘埃探测仪记录了起源于木星方向的亚微米级尘埃颗粒的周期性爆发，每次爆发持续的时间从几小时到两天，爆发的时间间隔为28±3天；此外，还发现一些微米级尘埃颗粒高速逆行，速度大于26 km·s-1，运行方向与行星运动方向相反。尤利西斯号探测器于2004年第二次飞越了木星，最近距离为0.8 AU，从2002年11月至2005年8月测量到了从木星系统发出的28个尘埃流，发现尘埃颗粒冲击方向与行星际磁场的极性和强度相关[89]。

Tuzzolino等[90]报告了星尘号航天器上安装的尘埃通量监测仪对尘埃粒子通量和质量分布的测量结果，在星尘号飞越彗星81P/Wild 2过程中，估计有2800±500个15 μm或更大的尘埃粒子碰撞气凝胶收集器，质量范围为10-14～10-7kg。Andersson等[91]使用火星大气与挥发性演化任务(Mars atmos-phere and volatile evolution mission，MAVEN)航天器上安装的朗缪尔探针和波浪仪150～1000 km以上的高度的尘埃进行了观测，根据尘埃分布，认为它们起源于行星际。

环绕地球的轨道上也有大量尘埃颗粒存在，高等研究和全球观测卫星(Advanced research and global observation satellite, ARGOS)在98.7°倾角、850 km高度的环绕地球的太阳同步轨道上运行，尘埃探测仪的有效面积为576 cm2，可以测得3.3 μm以上的尘埃颗粒，从1999年2月23日发射到2000年6月8日，尘埃探测仪在470天内检测到258次尘埃撞击[92]。

5 大量尘埃的动力学现象及内在规律

大量尘埃表现出来的宏观动力学现象及内在规律取决于尘埃所处的引力场、磁场、辐射等环境以及尘埃颗粒的尺寸、密度等参数。宏观动力学现象包括木星环等绕行星的尘埃环、水星共轨尘埃环等绕日的尘埃环、尘埃云、尘埃尾等。环绕行星运动的尘埃颗粒的动力学称为环行星尘埃动力学(Circumplanetary Dust Dynamics)[93]，而在行星际运动的尘埃颗粒的动力学则称为行星际尘埃动力学(Interplanetary Dust Dynamics)[94-95]。本节介绍大量尘埃颗粒表现的宏观动力学现象及其内在规律的研究进展。

5.1 绕行星与小行星的尘埃环

每个巨行星都被行星环包围着，行星环通常由半径从厘米到米的粒子组成，但每个环系统还包含多个由较小的尘埃颗粒但主导地位的区域[96]。木星的伽利略卫星受到超高速冲击溅射产生的尘埃粒子的一部分可能会从源卫星逃逸到环绕木星的轨道中，在考虑引力、辐射压力和电磁力作用下，溅射粒子的动力学演化表明半径大于十分之一微米的尘埃粒子可能会在木星周围轨道上停留数十年至数百年，直到其撞击木星或木卫表面或发生逃逸，这些粒子形成了一个宽尘埃环，粒子的数密度可达103km-3 [43]。Northrop等[97]研究了木星薄纱环上尘埃的陀螺相漂移和轨道演化，发现陀螺相漂移可能超过等离子阻力漂移，并且可能使小的带电尘埃向同步半径方向或远离同步半径方向移动。Sachse[98]提出了一个针对由行星的引力控制的冲击溅射产生的行星尘埃环以及小的带电尘埃粒子受到的扰动力的简单的可快速计算的半分析模型，将模型应用于木星的伽利略卫星喷出的尘埃颗粒，模型预测的尘埃密度与数值计算和伽利略号木星探测器测量结果非常吻合。海王星环主要由微米级的尘埃组成，分为5个离散的环，海王星环的一个与众不同的特征是亚当环(Adam ring)内部存在5个弧形结构，即不完整的环[99]。对于那些轨道与环缠绕的海王星的众多小卫星来说，它们与环之间存在物质循环，小卫星表面物质受到侵蚀而导致尘埃颗粒脱落，小卫星受到流星体的轰击而产生大量尘埃，这些尘埃颗粒进入海王星环中；此外，环中存在尘埃颗粒在运动的过程中附着在小卫星表面[100]。

矮行星Haumea也有一个环[101]，环的半径使该环的轨道周期与Haumea的自旋周期之比为3∶1的平运动共振。Kovács和Regály[102]在假定此环为尘埃环的情况下，考虑了Haumea的质心和2度2阶引力场，以及作为主要扰动的太阳辐射压力，通过数值模拟的方式研究了矮行星Haumea的环的动力学问题，认为不同的尘埃颗粒尺寸产生不同环结构，颗粒尺寸越小，环的宽度越窄。

5.2 绕行星与小行星的水冰环

5.3 与行星共轨的绕日尘埃环

地球、金星和水星附近虽然没有像木星等巨行星附近那样的环，但存在共轨尘埃环，即它们的日心轨道附近都存在尘埃环，环的中心是太阳，而不是行星[108]，这种尘埃环也称为绕日尘埃环[108-110]。Dermott等[111]通过数值模拟研究了小行星尘埃颗粒的轨道演化，表明地球处在小行星尘埃的绕日的环形圈中，且地球尾迹中永久地存在一团更加密集的尘埃颗粒。这一模拟结果可以解释红外天文卫星(IRAS)观测到的黄道云的不对称性[109,112]。地球的日心轨道环可以提供一种将小行星带的碳质材料传输到地球的机制，即首先通过环的共振捕获将尘埃颗粒从小行星带捕获到地球的日心轨道环，再从日心轨道环释放到地球[111]。Reach等[109]通过宇宙背景探测卫星(COBE)的红外漫反射背景实验进一步确认地球的绕日尘埃环的存在性及Dermott等[111]对其结构的预测。

此后，Jones等[108]使用美国宇航局STEREO-A探测器于2009年观测的数据绘制的表面亮度图显示了金星轨道附近巨大但弥漫的尘埃环，环的最大密度超过黄道云约10%。Stenborg等[110]进一步发现水星的日心轨道附近也存在尘埃环，称作水星轨道环，认为水星的日心轨道环中的尘埃来源可能包括三个彗星2P/Encke、 73P/Schwassmann-Wachmann 3和169P/NEAT的彗尾。

图3 与行星共轨的绕日尘埃环艺术图Fig.3 The artistic image of circumsolar dust ring co-orbiting with planets

5.4 尘埃云与尘埃尾

大量尘埃表现出来的宏观动力学现象还包括尘埃云与尘埃尾。Krivov等[79]提出了一个尘埃云分析模型，适用于通过冲击无气体的行星卫星和水星、冥王星表面而在其周围产生的稳态球对称尘埃云，假定射弹是行星际微流星体，模型提供了预期的母体附近的尘埃质量、密度和速度分布。Sremevi等[113]关注由母体通过各向同性的撞击物运动产生的不对称效应，计算了尘埃云中尘埃数密度的不对称分布，提出了相应的非对称尘埃云模型。Sremevi等[69]研究了木星的伽利略卫星欧罗巴、木卫德和卡利斯托(Europa, Ganymede and Callisto)的缥缈尘埃云，报告了伽利略号在飞越木星的伽利略卫星欧罗巴、木卫德和卡利斯托过程中，探测器上安装的尘埃探测仪的测量数据与Sremevi等[113]的模型相兼容。

Thiessenhusen等[114]通过数值模拟冥王星和卡戎表面的冲击溅射，认为冥王星和卡戎沉浸在一片缥缈的尘埃云中，云由起源于Edgeworth-Kuiper带的微流星体冲击冥王星和卡戎表面释放的尘埃组成。Jewitt等[71]报告了在小行星(3200) Phaethon附近发现类似彗尾的现象，认为Phaethon的尾巴由尘埃颗粒被太阳辐射压加速形成，尘埃颗粒的有效半径约1 μm，总质量约为3×105kg，尘埃颗粒产生于小行星运行到近日点附近时表面热断裂亦或干燥裂纹。Hergenrother等[115]给出了OSIRIS-REx任务对小行星(101955) Bennu的表面尘埃排放的质量速率估计，结果表明2018年9月表面尘埃平均产量的上限为150 g·s-1。下面给出一个算例来展示小天体尘埃尾的模拟计算结果，小天体表面排放的尘埃通量越大，越容易观测到尘埃尾的现象。图4给出了由作者开发的小天体表面尘埃排放与尘埃尾计算程序DEDTail(Dust emission and dust tail around minor bodies)计算的陀螺状小行星1994CC表面尘埃随机排放的模拟[67]，参考系取为惯性系。小行星1994CC的容积密度为2.07 g·cm-3，自旋周期为2.3886 h，形状模型由2000个顶点和3996个面组成[116]，考虑小行星1994CC的中心存在与小行星形状相似的质量瘤[117]，质量瘤的尺寸为小行星的0.3倍，密度为4.14 g·cm-3。考虑小行星1994CC的不规则形状引起的引力[118]、太阳引力、大行星引力、辐射压力[65]、Poynting-Robertson拖曳[65]、等离子体拖曳[66]、太阳风磁场中的洛伦兹力[58]。尘埃颗粒的密度和小行星1994CC的密度相同。模拟的尘埃颗粒总数为600个，半径范围为0.1～10 μm。尘埃在小行星不规则表面排放的位置随机选择，相对表面排放的速度为0.02 m·s-1～3.0 m·s-1，考虑尘埃颗粒的质量分布和初始排放速度大小分布[79]，初始排放速度的方向和小行星表面局部法向的夹角为30°～75°的区间内均匀分布。

图4 小行星1994CC表面尘埃随机排放Fig.4 Stochastic emission of dust grains around asteroid 1994CC

6 结束语

本文综述了太阳系尘埃颗粒的动力学问题研究进展，包括尘埃的来源与生成机制，生成后的充电过程、受力模型、动力学现象，大量尘埃颗粒的统计分布特征与宏观动力学，以及探测器对尘埃的探测领域的研究进展。人们采取天体力学和统计物理的方法研究有关尘埃的动力学及相关科学问题，当前，人们对尘埃颗粒的生成、充电过程、动力学现象的认识越来越清楚。然而，仍有大量待解决的问题，包括但不限于：1)尘埃的面质比分布特征和对应的辐射压系数；2)空间碎片与碎片碰撞过程产生的尘埃的动力学问题；3)探测器在无大气的天体表面软着陆过程中激起的尘埃的动力学问题；4)活动小行星的尘埃排放与尘埃尾特征；5)有环的小行星的环中尘埃颗粒的稳定性、相互作用、漂移特征等；6)空间天气变化引起行星环、小行星环中尘埃颗粒的电荷涨落，进而引起尘埃颗粒的运动规律的变化并对环的形态产生影响。