宇宙射线辐射火星表层土壤的蒙特卡洛模拟初探

论文总字数：16154字

目 录

1 绪论························5

• 1. 火星简介···························5
  2. 国内外研究现状························9

1. 模拟方法·····················12
   1. Gernt4介绍··························12
   2. 模型的建立··························13
   3. 进行模拟···························14
2. 结果和分析····················15
3. 总结展望·····················18

参考文献·······················19

致谢·························20

宇宙射线辐射火星表层土壤的蒙特卡洛模拟初探

王兆勇

，China

Abstract：

Mars is the neighborhood of the earth, in the solar system, it is located in the Earth's orbit outside the first planet, we human perseverance to explore Mars, is hoping to seek life outside the earth, and the establishment of alien's second home. There are many studies on Mars, including the atmosphere, soil, magnetic field, space environment and water traces and other content, and the current detection focus is to find the water and life signs of Mars. This paper mainly discusses the elements (including solar radiation, cosmic rays, etc.) in the space radiation environment of Mars, the composition of the soil of the Mars (three-dimensional distribution) from Mars's understanding of the importance of space in the space environment, (GCRS, proton-based) radiation according to the physical model of the Martian soil, using the Monte Carlo method to simulate the energy from 1Gev to 1000Gev between the proton shot, and then use the Monte Carlo method to simulate the energy from 1Gev to 1000Gev between the proton shot The number of secondary particles and the distribution of energy deposition with depth in the soil samples of Mars. We found from the simulation results that the sample particles can reach the maximum depth of 5.8 meters in the vicinity

Key words：

Mars, soil, solar radiation, cosmic rays, Monte Carlo

1 绪论

• 1. 火星简介

探索宇宙，遨游太空，一直以来都我们是人类的梦想。尤其是进入太空时代以来，人们渐渐地已经不再满足于用过去传统的方法进行天文观测和探索地球之外的生命，而是开始有系统地认识外星的生存空间，为人类在外太空开拓出新的疆域。而火星恰好是地球的“邻居”，一说到火星，人们最关切的问题就是火星上到底有没有外星生命的存在。天文学家们对火星做了大量的研究和探测，尤其是近30年来，从发射针对火星上的各种空间探测器开始，到之后一系列的登陆探测活动，已经初步了解了一些关于火星的秘密。虽然目前还没有充分的证据表明火星现在存在或者过去存在过生命，但科学家们也没有找到任何证据可以证明，火星上的生命是不存在的。这表明，人类未来或许有可能实现火星梦想，到火星上去定居生存。为了实现这一梦想，我们还要不断地了解火星。

就目前科学探索发现而言，火星的很多方面都与我们人类所生存的地球环境十分相似。如图1所示那样，在整个的太阳系中，火星所处的位置从靠近太阳的内圈算起，火星是由内向外数的第四颗星球，同时也是是位于地球绕太阳公转轨道外侧的第一颗行星,火星绕太阳公转一周的时间大约是地球的两倍，是太阳系中与地球所处位置环境最为相似的星球之一，火星的直径大约是地球直径的53%，火星的赤道平面和公转轨道平面的交角与地球也十分接近,而且火星的自转周期的时间也与地球相差无几，它的自转周期的具体时间为24小时37分，这与我们地球仅仅了相差半个小时左右，所以火星上也有类似地球的日夜交替变化和春夏秋冬四季之分。在太阳系中，火星、土星、金星、水星和地球这五个天体，是处在离太阳较近的温暖区一带的地方，他们主要构成成分都是由适合人类生存的岩石物质组成的。但在它们之中，水星温度太低，而土星和金星温度又太高，只有火星上有可能存在着我们人类生活的必要物质水。就这样，这另外三个星球就都被科学家们排除在外。从另一方面来说，把火星跟月球做比较，火星的体积要大得多，人类的立足点足够大，而月球最大的不足之处就是没有氢、氮、碳这三种必需的生命元素。

图 1 太阳系八大行星所处轨道位置示意图

另外，在火星之上，如图2所示，也同样存在着像地球那样的南极和北极，并都被冰川所覆盖，它们都是由二氧化碳气体冷冻而生成的，而且它们形成的极冠也会随着火星上季节的变化而消长。火星的土壤表面富含大量的赤铁矿，也就是氧化铁，所以它的外表远远的看上去呈现出一片橘红色的景象，如图3所示的那样。火星上也存在着稀薄而又寒冷的大气层，而火星大气的成分与我们地球不同，它的主要成分是二氧化碳，其所占的比重高达95%，除此之外还有少量的氢、氧等生命元素。把火星与地球相比较而言，火星上的地质活动一点也不活跃，，火星的地貌大多数都是在久远的上古时期就已经形成了，火星上存在着各种的火山，峡谷和密布在其地表之上的各式陨石坑，这其中就有现在已知的在太阳系中海拔最高的山脉：奥林帕斯山，它的高度大约有27公里，是我国珠穆朗玛峰海拔高度的三倍之多，此外还有太阳系中最大的峡谷：水手号峡谷，它的长度大约4000公里，最深处达7公里。火星的地形还有另一个特别之处，那就是它的南北半球有着风格迥异的地质地貌，在火星的南半球主要是一些古老的且充满着陨石坑的高地，而火星的北半球则大多是相对年轻的平原。虽然火星的表层比地球的温度要低一些，经常刮大风，并伴随着沙尘暴，而且看上去似乎非常荒凉，但它依然包含了所有的元素，所以它是与地球上的生活环境最为相似的太阳系行星。世界上众多科学家在探索火星环境的时候，很多人都提出了把这个荒芜的星球开发成为人类生存家园的各种各样的想法。

图 2 火星的南极

诚然火星对于我们人类来说是一个寒冷而且荒芜的星球。肆虐的风暴以及险恶空间辐射环境和大气条件都会让人类很难在火星上生存。然而，大多数科学家认为，这将是新世纪人类的天堂。到“红色星球”火星移民一直是许多科学家的梦想，也是很多科幻电影的主题。当然，也有很多的科学家认为，对火星的改造，并且生活下去是艰难的。最好可以把更多的精力投入到保护地球的环境中，这比把资源花在对火星的改造上显得更为务实和更为经济。但是科学家霍金曾经说过，人类探索火星的真正任务是了解，45亿年前，火星和地球几乎同时起源，然而为什么两颗恒星会走上这样两条截然不同的道路，而且偏偏只有地球才能产生生命。另外，美国天文学家karlsan认为火星的探索对科学的研究、航天技术的发展，教育和环境保护等方面的意义非常深远，甚至探索火星的任务会促进世界和平的发展。他认为，载人登陆火星项目所需要的经费是任何一个国家或者一个组织难以承受的，他希望可以实现国际合作，向火星派出人类共同的使者。而对于大多数热衷于火星探险的人来说，根本没有必要去讨论“为什么”、“是否”和“如何”等话题，而是必须的事情,因为这会让我们知道火星上到底有没有生命的存在。

图 3 火星的表面

而要想登陆火星，宇航员乘坐宇宙飞船飞向火星的路上，太空环境中的高能粒子辐射将会成为最大的威胁。在到达火星之后，其表面复杂的空间环境也会对宇航员身体造成极大地危害。根据科学家探索发现，火星上的空间电离辐射环境主要是由两种粒子组成。 太阳能质子（SEP）通过耀斑和冠状质量喷射加速，通常高达几百MeV，而它的通量取决于11年的太阳活动周期。 大约500MeV /核子的星系宇宙射线（GCR）颗粒的峰值通量比SEP低约四个数量级，但是在极低的通量下，光谱的幂律尾部延伸到1020eV。 GCR光谱是由85％质子，14％α（氦核），一小部分重离子（完全电离原子核）和电子，以及被认为是由II型超新星的主要加速所组成。GCR以下约1 GeV /核子是由日光层调制（Klapdor-Kleingrothaus and Zuber, 2000），所以它们的通量与太阳活动周期是抗相关的。

图4图为质子和氦离子的初选GCR的能谱，在太阳最大值和最小值的条件下，为CREME96模型。 平均SEP通量(Usoskin et al., 2006)也用逆平方律进行了变换，以提供适用于火星轨道的光谱。太阳粒子事件产生一个更难的光谱比，这意味着，在能量高达几GeV的情况下，通量是增加的，但是它们是短暂的和罕见的。 因此，SEP和GCR原色代表两个互补的电离粒子群体; 高通量但相对较低的能量和更低的通量，分别延伸到非常高的能量水平。 虽然SEP可以在火星表面产生瞬时高剂量率，但在长时间尺度的平均值上，其地下剂量贡献主要为GCR (Mileikowsky et al., 2000; Dartnell et al., 2007)。

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