基于CELMS数据的月球东海微波辐射特性研究

孟治国,平劲松,Alexander GUSEV,3,蔡占川,陈思

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026;2.中国科学院国家天文台月球与深空探测重点实验室,北京100012; 3.Geology Institute,Kazan Federal University,Kazan 420008,Russia;4.澳门科技大学资讯科技学院,澳门)

基于CELMS数据的月球东海微波辐射特性研究

孟治国1,2,平劲松2,Alexander GUSEV2,3,蔡占川4,陈思1

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026;2.中国科学院国家天文台月球与深空探测重点实验室,北京100012; 3.Geology Institute,Kazan Federal University,Kazan 420008,Russia;4.澳门科技大学资讯科技学院,澳门)

根据月壤(FeO+TiO2)含量数据和“嫦娥2号”卫星CELMS数据,对月球东海地区微波辐射特性进行了研究。结果表明,在东海内部(FeO+TiO2)含量较高的地区,其正午和午夜时刻的亮温值都比较高,亮温差值也比较大,但亮温及亮温差值的分布随频率变化呈现不均匀性;Maunder撞击坑的(FeO+TiO2)含量较低,但其低频和高频亮温及亮温差值的表现正好相反;区域F(约10°S/106°W)、G(约5°S/104°W)和以(13°S/103°W)为中心的区域的微波辐射存在明显异常。这些区域的微波辐射特性对研究东海地区的形成演化过程具有重要意义。

东海;微波辐射;CELMS数据

0 引 言

东海(20°S/95°W)是月球上最年轻的月海和保存最好的多环撞击盆地,直径约为930 km,对东海形成及演化的研究是月球科学研究的重要内容之一[1]。

自20世纪60年代起,东海就是月球探测的重要目标之一。Spudis等(1984)基于Apollo在轨地球化学和地基光谱数据,进行了东海溅射物的斜长石分布研究[2]。Belton等(1992)[3]和Head等(1993)[4]基于Galileo数据,认为Maunder构造和Hevelius构造在成分上是相近的,卢克山脉构造偏铁镁质。基于同样的数据,Greely等(1993)认为该地区的TiO2含量很低[5]。基于Clementine UVVIS数据,Bussey和Spudis认为东海地区溅射物与盆地内部的成分相同,Rook山脉偏铁镁质[6]。但UV-VIS数据的穿透深度仅为几个微米,极大限制了该数据在东海地区的应用。Zhu等(2013)基于穿透深度较大的GRS(gamma-ray spectrometer)数据,分析了东海地区K分布特征[7]。但GRS数据的空间分辨率很低,约为2°×2°。如何结合高空间分辨率、大穿透性的数据进行综合研究是东海形成演化研究亟待解决的关键问题之一。

微波辐射计(Chang'e lunar microwave sounder,CELMS)是我国“嫦娥”系列卫星的重要载荷之一,其空间分辨率高于GRS数据[8],在国际探月活动中具有里程碑的意义[9]。3 GHz时,CELMS的穿透深度可达10 m以上[10]。因此,本研究拟基于“嫦娥2号”卫星CELMS数据,通过分析东海地区的CELMS数据,进行该地区微波辐射特性研究。

1 数据处理

本研究使用了Clementine UV-VIS数据、基于该数据得到的(FeO+TiO2)数据和“嫦娥2号”卫星CELMS数据。

1.1 Clementine UV-VIS数据

基于750 nm的Clementine UV-VIS数据,制作了东海地区的影像图,如图1(a)所示。基于Clementine UV-VIS数据和改进的Lucey模型[11],制作了东海地区(FeO+TiO2)含量分布图,如图1(b)所示。图1(a)中,M是著名的Maunder撞击坑。

结合东海地区的(FeO+TiO2)含量和微波辐射特征,我们在东海地区标注了7个典型区域(AG)。其中,区域A、B、C、D和E的(FeO+TiO2)含量较高;区域F(约10°S/106°W)和G(约5°S/104° W)位于月陆地区,是2个较年轻的撞击坑,(FeO+ TiO2)含量很低,但在该区域出现了明显的微波辐射异常。

1.2 CELMS数据

研究中共使用了2 394轨CELMS数据,成像日期为2010年10月—2011年5月。微波辐射计观测角为0°,数据的空间分辨率约为1°,数据的温度分辨率约为0.5 K[8]。

图1 东海影像图(a)和(FeO+TiO2)含量分布图(b)Fig.1 Geographical map(a)and(FeO+TiO2)abundance(b)of Mare Orientale

研究中,首先根据东海的空间位置,提取了该地区所有的CELMS数据。CELMS数据受观测时间的影响很大,由成像时间造成的亮温差会减弱由月壤(FeO+TiO2)含量等参数造成的亮温差,这对CELMS数据的应用来说是不利的[8,12]。因此,对所有的CELMS观测数据进行了时角校正处理。研究中,处理得到了3.0、7.8、19.35和37 GHz条件下、正午时刻(图2)和午夜时刻(图3)的东海亮温分布数据。

正午是一天中表面温度最高的时刻,对应的微波亮温反映了月壤热吸收和微波辐射能力;午夜是一天中表面温度非常低的时刻,对应的微波亮温反映了月壤微波热特性的分布特征。

2 东海微波辐射

图2和图3分别是东海地区正午和午夜时刻亮温分布图。图2和图3表明,正午和午夜时刻,东海地区玄武岩含量较高的区域A、B、C和D的亮温明显高于邻近地区;区域E的北部呈现高亮温;区域F和G的亮温随时间、频率变化较大。

图2 正午时刻东海地区亮温分布图Fig.2 Brightness temperature of Mare Orientale on noon

图2是正午时刻月海地区亮温分布图。图2表明,3.0 GHz和7.8 GHz条件下,正午时刻东海盆地中部玄武岩覆盖区域A和B的亮温最高且分布比较均匀,比周围高10 K左右,而区域A的亮温略高于区域B;区域C的亮温也较高,但明显低于区域A和B;在内环和外环之间的玄武岩填充的区域D,亮温明显高于邻近地区;区域E仅北部亮温较高;区域F和G的亮温低于邻近地区。在19.35 GHz和37 GHz图像上,区域A和B仍是高亮温区域,但区域A的亮温明显小于区域B,且面积明显减小;区域C、D和E的亮温分布特征变化不大;区域F和G则呈高亮温,与低频数据相反。

图3是午夜时刻月海地区亮温分布图。图3表明,3.0 GHz条件下,午夜时刻区域A和B的亮温最高且分布比较均匀,比周围高10 K左右,而区域A的亮温略高于区域B;区域C的亮温明显高于周围地区,但低于区域A和B;区域D的亮温较高,但同周围的亮温差异不显著;区域E的亮温不显著;区域F和G呈低亮温。在7.8 GHz,亮温分布特征变化不大,但区域A的亮温明显高于区域B。在19.35 GHz图像上出现局部亮温高异常,且该高亮温异常与东海的成分、结构等因素无关。在37 GHz图像上,区域A和B的高亮温区域面积明显减小,区域B中部地区的亮温值低于周围地区;区域C、D和E的亮温分布特征变化不大;区域F和G则呈高亮温,仍然与低频数据相反。

结合图1、图2和图3可以看出,(FeO+TiO2)含量较高的区域,其正午和午夜时刻的亮温都比较高;考虑不同频率CELMS数据的穿透深度不同,区域A、B和E的亮温分布特征表明,该区域的月壤成分是随深度变化的;区域F和G的亮温分布特征与区域A、B相反,表明该区域的微波辐射可能受更多因素的影响,其具体成因需要结合岩块丰度、表面粗糙度等因素做进一步分析。

图3 午夜时刻东海地区亮温分布图Fig.3 Brightness temperature of Mare Orientale on midnight

3 东海地区微波辐射昼夜变化特征

月壤一定深度以下的温度是恒定的。因此,同一频率条件下的昼夜亮温差值是微波可穿透深度范围内月壤温度及成分特征变化的直接表现。

图4是东海地区正午和午夜时刻的亮温差值分布图。图4表明,3 GHz条件下,东海盆地中部玄武岩覆盖区域A和B的亮温差最高,与该地区较高的(FeO+TiO2)含量相对应;区域C的亮温差略高于周围地区,但低于区域A和B;区域D的亮温差较大,但同周围的亮温差值仅为2 K左右;区域E的亮温差不显著;区域F的亮温差为负值,说明其夜间亮温值高于白天,而其相邻区域(约10°S/105°W和11°S/105°W)的亮温差呈高值,同时该区域(FeO+ TiO2)含量很低,该亮温差异常与月壤成分无关;区域G的亮温差较小。7.8 GHz条件下的亮温差与3 GHz图像相近,但亮温差增大,区域A、B和D的高亮温区域明显减小。在19.35 GHz图像上,区域A和B的正午和午夜的亮温差最大,区域A的亮温差小于区域B;而区域B以(24°S/93°W)为中心的地区,出现较低亮温差,而该地区(FeO+TiO2)含量很高,表明在19.35 GHz微波可穿透深度范围内,月壤成分与表层的不一致;区域C和D的亮温差较大,且分布比较明显;区域E的亮温差不显著;区域F和G的表现与低频图像上相反,呈高亮温差异常,其东部相邻地区则呈现低亮温差异常,具体原因不明。在37 GHz图像上,亮温差分布特征变化不大,区域B的高亮温差分布面积明显减小;区域F的亮温差明显低于其东部相邻地区;区域G呈高亮温差,差值远高于其东部相邻地区。

结合图1和图4可以看出,(FeO+TiO2)含量较高的区域A和B,其正午和午夜时刻的亮温差都比较高;区域A和B高亮温差随频率的分布特征则表明,表层月壤成分与深部是不同的;Maunder撞击坑的高温差值变化特征表明,其表层为(FeO+ TiO2)含量较低的物质,与基于UV-VIS数据得到的结果一致,但其深部仍为(FeO+TiO2)含量较高的物质;区域F和G的典型的亮温差变化非常特殊,其具体成因有待进一步考察。

图4 东海地区正午和午夜时刻亮温差值分布图Fig.4 Difference between brightness temperature of Mare Orientale on noon and on midnight

4 东海地区微波辐射纵向变化特征

高频微波的穿透深度很小;随着频率的减小,其穿透深度增大[9]。因此,同一时刻不同频率的亮温差异是月壤深部温度、成分、密度等参数的直接表现。3 GHz和37 GHz分别是“嫦娥”卫星微波辐射计所采用的最低和最高频率,分别代表了同一位置CELMS数据所能反映的最大和最小深度范围内的月壤参数特征。因此,本研究使用了正午和午夜时刻37 GHz和3 GHz数据的亮温差来进行东海地区微波辐射纵向变化特征研究。

图5 东海地区3 GHz和37 GHz条件下的亮温差值分布图Fig.5 Difference between brightness temperature of Mare Orientale in 3 GHz and in 37 GHz

图5是正午和午夜时刻3 GHz和37 GHz条件下的亮温差值分布图。根据数值模拟结果,图5表明,尽管玄武岩覆盖地区正午和午夜时刻不同频率的亮温差较大,但在月陆地区的亮温差也很大。这说明(FeO+TiO2)含量不是造成不同频率亮温差较大的主要原因。而在内环之内的东海盆地中,(FeO+TiO2)含量较高的地方,正午和午夜时刻的亮温差都比较大,尤其是在以(24°S/92°W)为中心的区域,具有较大的亮温差值,与(FeO+TiO2)含量的分布特征相吻合,表明(FeO+TiO2)含量仍然是月壤微波辐射的重要影响因素。在区域F、G和以(13°S/103°W)为中心的地区,正午和午夜都出现了明显的高亮温差异常;正午时刻的高亮温差表明该地区表层温度明显高于同纬度其它地区,而午夜时刻的高亮温差则表明该地区深部的温度明显高于同纬度其它地区,这很可能是高的月壤内部热流或其它因素造成的,值得进一步研究。

5 结束语

本研究基于“嫦娥2号”卫星CELMS数据,分别基于正午和午夜时刻的亮温数据、正午和午夜时刻的亮温差以及不同频率的亮温差值,进行了东海地区微波辐射特性研究。结果表明,在东海内部(FeO+TiO2)含量较高的地区,其正午和午夜时刻的亮温值都比较高,亮温差值也比较大,但其随频率分布的不均匀性则表明,该地区月壤成分是随深度变化的;Maunder撞击坑的(FeO+TiO2)含量较低,但其微波辐射特性表明,该地区37 GHz微波可穿透深度内的月壤成分与表层一致,随着深度的增加,月壤成分变化较大;区域F(约10°S/106°W)、G (约5°S/104°W)和以(13°S/103°W)为中心的区域的微波辐射特性则表明,该地区的月壤成分、温度梯度存在异常。

由于数据的限制,本研究未能得到区域F和G的微波辐射异常的成因;同时,研究中也没有考虑地形、岩块等因素对亮温的影响。这也是未来研究的重要内容之一。

致谢

本研究基于Clementine UV-VIS数据得到的月壤FeO和TiO2含量是在南京大学吴昀昭副教授帮助下完成的,所使用的月表亮温数据由中国科学院国家天文台郑永春研究员提供。在此表示感谢!

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通信地址:吉林大学地球探测科学与技术学院(130026)

电话:(0431)88502362

E-mail:mengzg@jlu.edu.cn

[责任编辑:高莎]

Research on Microwave Emission Features of Mare Orientale Using CELMS Data

MENG Zhiguo1,2,PING Jinsong2,Alexander GUSEV2,3,CAI Zhanchuan4,CHEN Si1
(1.College of Geoexploration Science and Technology,Jilin University,Changchun 130026,China;2.Key Laboratory of Lunar and Planetary Exploration Research,National Astronomical Observatories,CAS,Beijing 100012,China; 3.Geology Institute,Kazan Federal University,Kazan 420008,Russia;4.Faculty of Information Technology, Macau University of Science and Technology,Macau,China)

As Mare Orientale is the youngest and best preserved multiring impact basin on the Moon,it is of essential importance to study its composition and structure for clues to the processes and histories of older,more degraded features.In this paper,the(FeO+TiO2)abundance derived from Clementine UV-VIS data and the CELMS data from Chang'e-2 satellite are employed to study the microwave emission features of the Mare Orientale. The results indicate that the regions with high CELMS data and high brightness temperature difference agree well with high(FeO+TiO2)abundance both on noon and on midnight.However,the change of the area with high CELMS data and high brightness temperature difference with the frequency indicates that the composition of the lunar regolith is varied with depth.The(FeO+TiO2)abundance in Maunder Crater is low,whereas the CELMS data and the brightness temperature differences in the low frequencies and the high frequencies show distinctly different features,which indicates that the composition of the lunar regolith here in the upper layer and the lower layer may be different.The abnormal microwave emission apparently exists in the regions(10°S/106°W),(5°S/ 104°W)and(13°S/103°W)in highland with low(FeO+TiO2)abundance,which is likely related to the temperature gradient of the deep regolith.The microwave emission features in these areas are of special significance to study the evolution of the Mare Orientale.

Mare Orientale;microwave emission;CELMS data

P691

:A

:2095-7777(2014)03-0214-06

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.009

孟治国(1978—),男,博士,副教授,主要研究方向:微波遥感、月壤参数反演研究。

2014-07-28

2014-08-18

国家自然科学基金(41371332、40901159);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB857101);澳门科技发展基金(084/2012/A3);浙江大学CAD&CG国家重点实验室开放课题(A1513)