基于星载微波和红外探测仪实测数据的全月表岩石含量的反演

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随着科学技术的发展,人类对宇宙的探索逐渐进入新的阶段。月球作为地球的卫星,对月球的探索可以为其他星球的探索提供重要的参考价值。当前世界各国通过地基观测,卫星观测,直接登陆的方式,为我们了解月球,分析月球提供了大量有价值的数据。在我们对月表温度的测量中,我们发现其中有大量的温度异常点,在前人的研究中发现月表岩石是造成月表温度异常的重要原因。由于月表岩石和月壤的理化性质不同,对月球表面进行的热特性分析就会受到月表岩石的影响。因此,分析全月表岩石含量,可以为月球表面热特性研究以及月球资源分析等研究提供重要依据。为了求解月表岩石含量,首先我们需要通过建立全月表一维热传导方程模型,求解月球当地随时间和深度变化的温度查找表。一维热传导方程是温度关于时间和深度两个维度的偏微分方程,具有两个边界条件。其中上边界条件中,由于纬度,地形和当地反照率的不同,我们需要根据月表当地的地形状况和当地纬度,结合当地的反照率建立对应的热传导方程以适应当地实际情况。为了反映地形对月壤热传导方程具体参数的影响,我们需要根据待求点及周围高程数据求解待求点的水平坡度和垂直坡度,并通过待求点的水平坡度和垂直坡度和当地时间求解当地实时的太阳入射角,并将太阳入射角代入一维热传导方程的上边界条件,解得到该地全天温度随时间和深度变化的查找表,用于反映纯月壤的实时温度变化趋势。为了得到岩石全天温度随时间和深度变化的查找表,根据bandfield等人的研究结果,参照其对泡沫玄武岩(泡沫玄武岩是月表的一种常见岩石)理化性质的研究结果建立岩石的一维热传导方程,求解得到温度随时间和深度变化的查找表,代表岩石的温度变化规律。我们对嫦娥二号微波辐射计37GHz通道数据进行提取,结合含有地形因素的全天候月壤物理温度廓线,然后从微波传输理论出发,通过WKB方法分别模拟月壤和岩石的月表微波辐射亮度温度,通过分析不同比例月壤和岩石对辐射亮温的贡献并与实测地微波辐射亮度温度作比较,得到基于嫦娥二号微波数据的月表岩石含量图。随后我们提取部分地区的实测数据和当地温度廓线相对比,并提取Tycho,Crookes,Nishina环形山的实测微波数据进行验证,结果发现,考虑月表岩石分布的微波辐射亮度温度与相应地区的实测数据可以更好地匹配,从而验证反演方法的正确性。我们通过Diviner第8通道红外数据求解月表岩石含量,为每一个实测数据点找到对应时间,地点的月壤温度和岩石温度,通过普朗克公式计算该地实测数据热辐射量对应的月壤辐射和岩石辐射的比例,求解该地的岩石含量,对同一地点,不同数据求解出的岩石含量取平均值,得到全月表岩石含量图。我们选取Giordano Bruno,Harpalus,Tycho,Aliacensis环形山的实测数据,与模拟结果进行比对,对结果的准确性进行验证,发现考虑相应岩石含量的模拟温度可以很好地与实测数据相匹配。
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