火星周围粒子的十亿年动力学演化

各种尺寸的粒子可以存在于火星周围。大粒子的轨道主要受火星引力支配，而小粒子的轨道可能受到非引力作用的显著影响。以往许多关于火星周围粒子动力学的研究聚焦于相对较小的粒子（半径 $r_{\rm p} \lesssim 100 \, \mu m$），时间尺度为 $\lesssim 10^{4}$ 年。在本文中，我们使用直接数值轨道积分和解析方法，考虑火星引力、火星 $J_{2}$、太阳辐照压（solar radiation pressure, SRP）和 Poynting-Robertson（PR）力，研究位于火星赤道面附近、半径从微米到米的粒子的十亿年动力学演化。我们还新研究了行星阴影对粒子动力学的影响。我们的结果表明，初始位于 $\lesssim 8$ 火星半径（今日火卫二轨道以内）的小粒子（$r_{\rm p} \lesssim 10 \, \mu m$）因偏心率增大而被 SRP 迅速移除，导致在近日点距离处与火星碰撞。较大粒子（$r_{\rm p} > 10 \, \mu m$）的轨道因 PR 力缓慢衰减（时间尺度 $> 10^{4}$ 年）。行星阴影减小了轨道中的受照面积，从而降低了 PR 拖曳力的效率。然而，我们表明，即使包含行星阴影，初始位于 $\lesssim 8$ 火星半径、半径可达约 $10$ cm 的粒子，最终会在 $\sim 10^{9}$ 年内螺旋落到火星表面。较小的粒子需要更少时间到达火星，反之亦然。我们的结果对于在火卫一和火卫二形成的巨碰撞假说背景下更好地理解和约束火星周围剩余粒子的性质具有重要意义。