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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

人类探测火星的目的除了探索宇宙的奥秘之外,还在于火星是我们地球的近邻,它的特征在很多方面都与地球极为相似，火星是位于地球轨道外侧的第一颗行星,是太阳系中最近似于地球的天体之一，火星赤道平面与公转轨道平面的交角非常接近于地球,而且自转周期为24小时37分,因此火星有类似地球的四季交替与昼夜变化。尽管如此，地球和火星的空间状态还是存在很大差别，火星没有像地球这样完整的偶极磁场，它的磁场是残余的一个个局部磁场，这些磁场不足以抵挡spe和gcr到达火星表面。此外高速太阳风还带走了火星大气层，导致火星大气稀薄，只有地球的百分之一。由于这些恶劣的条件限制，人类的活动场所只能是建筑在火星地表以下的掩体内。而对高能粒子与火星地表的相互作用研究成为此类的重要科学依据。另一方面，由于到达火星表面的粒子能量可能远大于地球粒子加速器的高能极限，对这些高能粒子与火星地表的相互作用研究目前只能通过理论模拟开展。因此，本论文计划运用monte carlo等模拟方法，研究不同种类和能量的高能空间粒子与已被探测到的各类火星地表成分相互作用的过程，期望能为火星的探索和开发提供辐射防护保障的理论依据。通过探索火星,人类有希望建立第二家园和寻找地球外生命。而研究火星的磁场、土壤和空间环境等内容，并掌握其规律，是实现这一目标的重要途径之一。甚至有人认为,火星的现在就是地球的未来。因而对火星进行探测和研究火星对于认识我们居住的地球的环境,特别是认识地球的长期演化过程,是十分重要的。

国内外研究现状

到目前为止，火星是除了地球以外，人类了解最多的行星，数十年来，世界上许多国家如俄罗斯，美国和欧洲发起过火星探测计划，已经有超过30个探测器到达过火星，并向地球发回了大量数据。1996年12月4日，美国发射火星探路者号探测器，于1997年07月04日在火星表面着陆。它携带的“索杰纳”号火星车，是人类送往火星的第一部火星车。rieder, r et al（1997） 用搭载在火星探测器上的apxs仪器探测了火星ares vallis落地点的6份土壤和5块岩石的成分。火星上的岩石与地球上的安山石类似，同时也与地球地壳的组成成分类似。此外squyres, s w et al（2004）的文章指出opportunity陆地探测器对火星eagle火山口附近和周围平原的土壤进行了探测，探测结果表明土壤中含有颗粒状的玄武岩颗粒，其表层存在富含fe2o3的颗粒和碎片。表层土壤的下面是沉积岩，其中硫酸盐含量较为丰富，这些沉积岩层特征为此处曾经可能存在流动水提供了证据。bibring, jp et al（2005）的文章利用可见近红外高光谱反射图像技术绘制出了分辨率为0.3-5千米的火星表面成分图像，指出omega辨认并且描述了火星两极地壳中的铁镁硅酸盐成分的分布情况，定位出了水化层状硅酸盐和硫酸盐含量较高的区域。mustard, jf et al（2008）给出了crism轨道器的观测结果，他们在火星的层状硅酸盐聚集区发现了更多种类的硅酸盐类岩石，包括高岭石，绿泥石，伊利石和一类新的水和硅石。hecht, m. h. et al （2009）分析了phoenix陆地探测器落地区（火星北半球平原地带）的土壤成分含量。文章中还指出土壤中还存在一些类似cio4的高氯酸盐，他们对土壤进行溶解后，发现溶液中含量最多的阳离子是mg2 和na2 ，其中还包括少量的k 和ca2 。如今，火星土壤主要成分已经被我们掌握。

此外关于火星地表辐射的观测和模拟方面，众所周知，火星的空间辐射环境主要被银河宇宙辐射和太阳粒子辐射所影响，simpson（1983）的文章表明银河宇宙射线的主要成分是98%的原子核和2%的电子，这其中原子核中有87%是质子，12%是氦原子核，1%的重原子。ehresmann, b et al的文章则给出了火星探测器curiosity号上携带的rad高能粒子探测器探测到的到达火星的高能粒子能谱。mitrofanov, i, et al（2002）利用mars odyssey上的高能中子探测器对火星表面的探测发现火星的南部高地和中部低洼地区发射出较多能量的中子。r (mileikowsky et al.（2000）和dartnell et al.（2007）的文章则证明了在火星地表之下gcr引起的辐射起主导。在火星辐射环境模拟方面也已经存在不同的模型，其中包括了模拟太阳发射的紫外线在火星地表的辐射分布（keating,a. et al），另外也有一些模拟粒子辐射方面的模型，其中l. r. dartnell et al （2007）的文章用geant4为基础模拟了火星上不同土壤中深度与剂量的关系，模型中将土壤分为不同密度的均匀层进行分别模拟，给出了模拟土壤对计量的吸收曲线和不同深度中次级粒子的成分组成。patr′cia goncalves et al（2009）的文章指出欧洲空间局（esa）已经发展了火星辐射环境模型merem，它包括emerem和dmerem两部分，它也整合了mars climate database大气模型来模拟火星表面辐射情况。

2. 研究的基本内容

1. 火星在人类认识日地空间环境中的重要性；

2. 火星所处的空间辐射环境中的各类要素（包括太阳辐射，宇宙射线等等）和火星土壤的分布及成分；

3. 在gent4中建立gcr辐射火星土壤模型的方法；

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案：

研究背景方面通过知网查阅论文、指导老师帮助和网络搜索等手段加深对研究背景和国内外现状的了解。模拟方面首先学习c 语言作为程序基础，熟悉面向对象编程部分的内容，进而学习geant4程序，建立模型进行模拟。

进度安排：

4. 参考文献

1.nasa https://mars.jpl.nasa.gov/msl/mission/instruments/radiationdetectors/rad/

2.火星表面环境分析赵志萍; 赵阳东 沈阳航空航天大学学报 2014-04-25

3.空间辐射风险评估理论与应用研究赵磊 大连海事大学 2016-09-19博士