月壤主要矿物的热导率实验分析及应用

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月壤主要矿物及模拟月壤在真空条件下的热导率测量,可使我们获得较为真实可靠的月表热导率数据,为研究月表物质热导率的分布和月表温度,解译月球微波探测数据,开展月球探测载荷设计,建立月球基地奠定重要的研究基础。本研究主要采用改造后的HOT DISK TPS2500S导热仪对月壤主要组成矿物的热导率进行测量,包括6种不同粒径的辉石、橄榄石、斜长石、钛铁矿的粉末样品,及由中科院地球化学研究所研制的CLRS-1和CLRS-2模拟月壤样品,获取了可靠的热导率实测数据。同时,分析了矿物组分、真空度、温度、粒度、密度等因素对月壤热导率的影响,为研究月表物质热导率的分布及解译微波亮温数据提供了重要的输入参数。通过实验分析发现,月壤中主要矿物的热导率之间存在着一定的差异,且随粒度、密度、温度和真空度的变化而变化,具体表现为:1)在真空条件下,月壤中三种硅酸盐矿物的热导率差异非常小,钛铁矿的热导率相对硅酸盐矿物的热导率较大,接近0.01 W/(m·K);2)热导率随矿物颗粒粒径的增大而增大;3)热导率与密度呈正相关系;4)在温度小于300K时,热导率随着温度的增加呈缓慢上升趋势,温度大于300K以后热导率随温度的增加出现快速上升趋势;5)热导率随着大气压力的下降呈下降趋势,大气压力在500Pa以下时,热导率的变化趋于平缓,其原因是空气传导在热传导过程中的作用几乎可以忽略。由以上热导率随各种影响因素的变化规律,我们提出一个新的热导率关于温度、矿物成分和密度的数学模型,并由此模型给出了月球表面月壤热导率的分布。  热导率是决定物质传热速率,影响温度变化的重要因素,因此,体现月球表层物质热辐射强弱的微波亮温与热导率有着紧密的联系。通过分析热导率对微波亮温的影响,从实际月球微波探测数据中挖掘体现热导率,因此,我们通过解译微波亮温数据,来指示基岩的埋藏深度即热导率的纵向分布特征。另外,对基岩的认识是理解月球构造演化过程的重要前提,也是理解月壤形成演化过程的重要基础。但目前对月球基岩的埋藏深度和分布情况了解甚少,不利于月球地质演化的深入理解。CE-1的发射为我们提供了大量的月球表层辐射特性数据。因此,根据微波的穿透特征,分析热导率差异对温度、亮度温度及CE-1的两个高频通亮温差值的影响。在此基础上,本研究提出一种新的研究方法,即利用高频通道亮温差值推测基岩的埋藏深度。通过分析了37GHz和19.35GHz两个高频通道亮温差的空间差异特征,发现在风暴洋的西南边缘、酒海北部边缘以及史密斯海东部高地等区域亮温差较大,与这些地区较大的高程落差很好吻合,很可能原因是高程落差较大风化物很难堆积,使得基岩埋藏较浅。为了核实这个推论,我们通过理论模型进行计算高频通道亮温差值。结果表明在中低纬度地区,当基岩埋藏深度大于0.5m小于1m时,高频亮温差为12.7K到15K之间。因此,根据分析结果推测风暴洋的西南边缘、酒海北部边缘以及史密斯海东部高地等区域的基岩埋藏深度估计在0.5~1m之间。
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