基于遥感数据的月球热流及月壤密度反演.pdf

ADissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degre eof Doctor of Philosophy in Engineering Retrieval of Lunar Heat Flow and the D ensity of Lunar Regolith Based on Remote Sensing Data Ph. D. Candidate :Dan Zhang Major :ic &Microwave Technology Supervisor :Prof. Qingxia Li Huaz hong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. China 万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□, 在年解密后适用本授权书。不保密□。(请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年月日日期: 年月日本论文属于万方数据 1 摘要月球热流及月壤密度信息有助于研究地月系和太阳系的起源与演化。中国探月卫星“嫦娥一号”和“嫦娥二号”搭载的微波探测仪已在轨获取了覆盖全月表面的微波亮温数据,此微波亮温受月表层温度、月球热流、月壤密度、月壤厚度等参数的影响。本文首次利用嫦娥微波亮温数据反演月球热流、月壤密度, 具体包括以下研究内容。月表层温度是影响月表亮温及其它月壤参数的重要物理量。本文基于一维月球表层热传导模型, 研究了月球表层温度随时间、深度及纬度的变化。分析 Apollo 15 和 17 地区基于热传导模型计算的月表面温度与美国探月卫星 LRO 所观测的月表面温度的差别,以及引起差别的影响因素。通过调整热物理参数改进了月表面温度随时间变化的计算结果。月球热流是研究月球热状态和热演化的重要物理量。月球热流是指单位面积单位时间里由月球内部释放的热量,计算表达式为月壤温度梯度与月壤热导率的乘积。本文提出了基于嫦娥卫星观测的微波亮温数据和 LRO 观测的红外亮温数据的月球热流反演方法。该方法由热传导方程的通解形式建立月表层温度剖面模型, 将 LRO 红外亮温数据作为温度剖面模型的边界条件,基于非均匀多层微波亮温模型反演月球热流。基于该方法反演得到了 75 ° N 到 65 ° S , 60 °W 到 100 ° E 地区的月球热流分布, 月球热流变化范围在 ~69 . 2mW/m 2 之间。月球热流不仅可以通过微波亮温反演得到,还可以根据其产生源计算得到。本文基于美国探月卫星 L P 搭载的γ射线光谱仪测量数据所生成的月表面放射性元素铀、钍和钾的丰度分布, 分析了放射性元素的分布特征及不同放射性元素的相关性, 建立了基于放射性元素的月球热流模型,模型中包含了放射性元素产热及月球降温放热两部分能量。由模型计算得到了全月球热流分布,月球热流的变化范围在 ~ mW/m 2 , 与基于微波亮温反演的月球热流范围接近。选择两个地区,风暴洋( 30°N ,55°W )和雨海( 30°N , 25°W )地区,进行对万方数据 2 比分析。这两个地区的红外亮温相同、FeO+TiO 2 含量相同, 但两个地区的昼夜微波亮温差相差 10K 左右。利用月表月尘层- 月壤层两层微波亮温模型分析, 发现这两个地区的昼夜微波亮温差的差异可能是由月球次表层的月壤密度差异引起的。根据月尘层- 月壤层两层的微波亮温模型, 提出了月球次表层月壤密度的反演方法。该方法利用“嫦娥二号”昼夜微波亮温差数据反演出月球北纬 33° , 西经 120° 到东经 6° 地区的次表层密度。月球次表层月壤密度的变化范围在 0~ g/cm 3 之间。关键词: 月球探测,嫦娥一号, 嫦娥二号, 微波亮温, 月球热流, 月壤密度万方数据 3 Abstract Lunar heat flow and the density of lunar regolith