这是一个艺术家的概念，在飞行过程中，火星上的无人机周围会发光。 如果无人机的旋转转子叶片产生电场，导致电流在飞行器周围的火星空气中流动，则可能会出现这种为能见度而夸大的辉光。 虽然无人机在大气中产生的电流很小，但它们可能大到足以使叶片周围的空气和飞行器的其他部分发出蓝紫色的光。 图片来源：NASA/Jay Friedlander
上面飞行的无人机上的旋转叶片 三月 可能会导致微小的电流在火星大气中流动，根据 美国航空航天局 学习。 这些电流，如果足够大，可能会导致飞行器周围的空气发光。 这个过程在地球上以更大的尺度自然发生，在被称为圣埃尔莫之火的电风暴中，有时会在飞机和船只上看到电晕或电辉。
“在背景天空较暗的傍晚时分，微弱的光芒最为明显，”美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的威廉·法瑞尔说，他是这项研究的主要作者，该论文发表在 行星科学杂志. “NASA 的实验性 Ingenuity 直升机在此期间不会飞行，但未来的无人机可能会被清除以进行夜间飞行并寻找这种光芒。”
“无人机上快速旋转的叶片产生的电流太小，不会对飞行器或火星环境构成威胁，但它们提供了一个机会来做一些额外的科学，以提高我们对电荷积累的理解，称为‘摩擦充电'，”法瑞尔补充道。
当物体之间的摩擦转移电荷时，就会发生摩擦起电，例如当一个人用气球摩擦他们的头发或毛衣时。 通电的气球会吸引人的头发，使其向气球提起——这表明气球在摩擦充电过程中产生了一个大电场。
该团队应用实验室测量并使用计算机建模来研究电荷如何在无人机的转子叶片上积聚。 电荷积聚也发生在地面直升机叶片上，特别是在尘土飞扬的环境中，因此该团队还使用地面直升机充电的解释和建模作为理解火星案例的基础。
他们发现，当无人机的叶片旋转时，它们会在火星空气中遇到微小的尘埃颗粒，尤其是当直升机靠近地表并四处吹尘时。 当刀片撞击谷物时，电荷被转移，在刀片上积聚并产生电场。 随着电荷积累到高水平，大气开始导电，这一过程称为“大气击穿”，产生大量电子，形成增强的电流，用于消散或抵消旋翼飞机上积累的电荷。
研究小组发现，击穿始于无形的“电子雪崩”。 电子是带有负电荷的非常小的粒子。 电荷使电子对电场做出反应——被正电荷产生的电场吸引，被负电荷产生的电场排斥。 自由电子——那些不受束缚的电子 原子 – 在诸如铜线之类的导电材料中负责电流的流动。 大气也可以有自由电子，火星空气中的少数自由电子会感受到旋翼飞机的电场力并撞击大气中的二氧化碳（CO2) 分子。 撞击从二氧化碳中释放出更多电子2 分子，放大电流。
火星大气层非常稀薄，其表面的压力仅为地球大气海平面压力的百分之一。 这种非常低的压力使故障更有可能发生。 在火星上，构成大气层的分子之间的距离比在地球这样的大气层中更远，因为它们的密度较小。 想想推动自由电子的电场很像拉力赛开始时的汽车。 如果路径上有很多大的障碍物，加速的汽车可能会撞到它们并减速（或停止）。 碰撞限制汽车的速度保持相对较慢。 但是，如果障碍物的间距非常大，那么同一辆车现在会在撞到障碍物之前加速到高速。 同样，火星空气中的额外空间为自由电子在“碰撞”到分子中之前提供了更大的加速路径，因此它们可以达到所需的速度以从二氧化碳中释放其他电子2 分子并在大约每米 30,000 伏特（1 米约 3.3 英尺）的相对较低的电场内引发电子雪崩。 在地球上，同样的电子雪崩也可能发生，但在更稠密的大气中，电场必须大得多，约为每米 3,000,000 伏特。
尽管无人机在大气层中飞行产生的电流很小，但它们可能大到足以导致叶片周围的空气和飞行器的其他部分开始电子雪崩，甚至可能发出蓝紫色的光。
然而，研究人员承认他们的结果是一个预测，有时大自然有其他计划。 “理论上，应该会有一些影响，但是电子雪崩是否足够强大以产生辉光，以及在操作过程中是否可以观察到任何微弱的辉光，这些都还有待未来在火星上的无人机飞行中确定，”法雷尔说。“事实上，甚至可以将小型静电计放置在刀片和腿部附近，以监测任何充电的影响。 这种电子监视器既具有科学价值，又可为飞行过程中的无人机健康提供关键信息。”
参考资料：“火星直升机会引起当地火星大气破坏吗？” 作者：WM Farrell、JL McLain、JR Marshall 和 A. Wang，10 年 2021 月 XNUMX 日， 行星科学杂志.
DOI：10.3847/PSJ/abe1c3
该研究由 NASA 根据 NASA 内部科学资助模型及其基础实验室研究 (FLaRe) 计划以及太阳系工作计划资助的 NASA 拨款资助。
