[P-PS05] 月の科学と探査

[PPS05-12] 月面空洞の表面帯電特性に関するプラズマ粒子シミュレーション

*中園 仁¹、三宅 洋平²、臼井 英之³ (1.神戸大学、2.神戸大学計算科学教育センター、3.神戸大学 大学院　システム情報学研究科)

キーワード：月、プラズマ、表面帯電、空洞、粒子シミュレーション

月にはほとんど大気が存在せず固有の磁場を持たないため、月面には太陽風プラズマが直接降り注ぎ日照の照射により発生する光電子や月面に蓄積された電荷とともに月表面近傍の静電気環境を形成する。形成される静電気環境は月面の日照条件や表面トポロジーに強く依存していることが知られている。月面はクレーターやボルダーなどの地形から、表面の岩石からレゴリス層に至るまで幅広い空間スケールにわたる凹凸が存在する。近年では数10 mスケールの縦孔などの特異な地形も発見されている。これらの凹凸に起因する特異な表面帯電特性と、その空間スケールへの依存性を調査することは、将来の月面探査の成否を左右する月面環境を定量的に理解する上で極めて重要である。本研究では、粒子シミュレーションを用いサイズや形状を変化させた月面の孔やくぼみのプラズマ・電気的環境を比較し、複雑な形状を有する月面の帯電特性を明らかにする。
本研究ではシミュレーション空間に空洞を開けた月面を設置し、それに対し太陽風プラズマフローと日光照射及びそれに付随する表面からの光電子電流を設定し、シミュレーションを行った。太陽風プラズマによる表面帯電では、太陽風電子とイオン間の熱速度差から、電子はイオンより比較的浅い位置で空洞壁面に衝突し吸収されるため深部まで到達する太陽風電子数は少ない。この結果、空洞が深くなるほど空洞内部電位は高電位となることがわかった。この効果は空洞の口径が小さいほど顕著である。なぜなら空洞口径が大きいと、太陽風電子の壁面衝突が壁面に形成されるシース電場により抑制されるためである。光電子による表面帯電では、基本的に光電子は発生した位置に正電荷を蓄積することから正帯電への寄与を示したが、空洞壁面では放出された光電子による空洞深部への実質的な負電荷輸送が行なわれ、太陽風イオンにより形成される空洞深部の高電位を緩和する働きを示した。実際の空洞内部の帯電状況は、以上の太陽風プラズマと光電子による電荷輸送効果の組み合わせで理解することが可能である。