基于CELMS數(shù)據(jù)的月球東海微波輻射特性研究

孟治國,平勁松,Alexander GUSEV,3,蔡占川,陳思

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春130026;2.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012; 3.Geology Institute,Kazan Federal University,Kazan 420008,Russia;4.澳門科技大學(xué)資訊科技學(xué)院,澳門)

基于CELMS數(shù)據(jù)的月球東海微波輻射特性研究

孟治國1,2,平勁松2,Alexander GUSEV2,3,蔡占川4,陳思1

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春130026;2.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)月球與深空探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012; 3.Geology Institute,Kazan Federal University,Kazan 420008,Russia;4.澳門科技大學(xué)資訊科技學(xué)院,澳門)

根據(jù)月壤(FeO+TiO2)含量數(shù)據(jù)和“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星CELMS數(shù)據(jù),對(duì)月球東海地區(qū)微波輻射特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在東海內(nèi)部(FeO+TiO2)含量較高的地區(qū),其正午和午夜時(shí)刻的亮溫值都比較高,亮溫差值也比較大,但亮溫及亮溫差值的分布隨頻率變化呈現(xiàn)不均勻性;Maunder撞擊坑的(FeO+TiO2)含量較低,但其低頻和高頻亮溫及亮溫差值的表現(xiàn)正好相反;區(qū)域F(約10°S/106°W)、G(約5°S/104°W)和以(13°S/103°W)為中心的區(qū)域的微波輻射存在明顯異常。這些區(qū)域的微波輻射特性對(duì)研究東海地區(qū)的形成演化過程具有重要意義。

東海;微波輻射;CELMS數(shù)據(jù)

0 引 言

東海(20°S/95°W)是月球上最年輕的月海和保存最好的多環(huán)撞擊盆地,直徑約為930 km,對(duì)東海形成及演化的研究是月球科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一[1]。

自20世紀(jì)60年代起,東海就是月球探測的重要目標(biāo)之一。Spudis等(1984)基于Apollo在軌地球化學(xué)和地基光譜數(shù)據(jù),進(jìn)行了東海濺射物的斜長石分布研究[2]。Belton等(1992)[3]和Head等(1993)[4]基于Galileo數(shù)據(jù),認(rèn)為Maunder構(gòu)造和Hevelius構(gòu)造在成分上是相近的,盧克山脈構(gòu)造偏鐵鎂質(zhì)?；谕瑯拥臄?shù)據(jù),Greely等(1993)認(rèn)為該地區(qū)的TiO2含量很低[5]?；贑lementine UVVIS數(shù)據(jù),Bussey和Spudis認(rèn)為東海地區(qū)濺射物與盆地內(nèi)部的成分相同,Rook山脈偏鐵鎂質(zhì)[6]。但UV-VIS數(shù)據(jù)的穿透深度僅為幾個(gè)微米,極大限制了該數(shù)據(jù)在東海地區(qū)的應(yīng)用。Zhu等(2013)基于穿透深度較大的GRS(gamma-ray spectrometer)數(shù)據(jù),分析了東海地區(qū)K分布特征[7]。但GRS數(shù)據(jù)的空間分辨率很低,約為2°×2°。如何結(jié)合高空間分辨率、大穿透性的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研究是東海形成演化研究亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

微波輻射計(jì)(Chang'e lunar microwave sounder,CELMS)是我國“嫦娥”系列衛(wèi)星的重要載荷之一,其空間分辨率高于GRS數(shù)據(jù)[8],在國際探月活動(dòng)中具有里程碑的意義[9]。3 GHz時(shí),CELMS的穿透深度可達(dá)10 m以上[10]。因此,本研究擬基于“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星CELMS數(shù)據(jù),通過分析東海地區(qū)的CELMS數(shù)據(jù),進(jìn)行該地區(qū)微波輻射特性研究。

1 數(shù)據(jù)處理

本研究使用了Clementine UV-VIS數(shù)據(jù)、基于該數(shù)據(jù)得到的(FeO+TiO2)數(shù)據(jù)和“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星CELMS數(shù)據(jù)。

1.1 Clementine UV-VIS數(shù)據(jù)

基于750 nm的Clementine UV-VIS數(shù)據(jù),制作了東海地區(qū)的影像圖,如圖1(a)所示?；贑lementine UV-VIS數(shù)據(jù)和改進(jìn)的Lucey模型[11],制作了東海地區(qū)(FeO+TiO2)含量分布圖,如圖1(b)所示。圖1(a)中,M是著名的Maunder撞擊坑。

結(jié)合東海地區(qū)的(FeO+TiO2)含量和微波輻射特征,我們?cè)跂|海地區(qū)標(biāo)注了7個(gè)典型區(qū)域(AG)。其中,區(qū)域A、B、C、D和E的(FeO+TiO2)含量較高;區(qū)域F(約10°S/106°W)和G(約5°S/104° W)位于月陸地區(qū),是2個(gè)較年輕的撞擊坑,(FeO+ TiO2)含量很低,但在該區(qū)域出現(xiàn)了明顯的微波輻射異常。

1.2 CELMS數(shù)據(jù)

研究中共使用了2 394軌CELMS數(shù)據(jù),成像日期為2010年10月—2011年5月。微波輻射計(jì)觀測角為0°,數(shù)據(jù)的空間分辨率約為1°,數(shù)據(jù)的溫度分辨率約為0.5 K[8]。

圖1 東海影像圖(a)和(FeO+TiO2)含量分布圖(b)Fig.1 Geographical map(a)and(FeO+TiO2)abundance(b)of Mare Orientale

研究中,首先根據(jù)東海的空間位置,提取了該地區(qū)所有的CELMS數(shù)據(jù)。CELMS數(shù)據(jù)受觀測時(shí)間的影響很大,由成像時(shí)間造成的亮溫差會(huì)減弱由月壤(FeO+TiO2)含量等參數(shù)造成的亮溫差,這對(duì)CELMS數(shù)據(jù)的應(yīng)用來說是不利的[8,12]。因此,對(duì)所有的CELMS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)角校正處理。研究中,處理得到了3.0、7.8、19.35和37 GHz條件下、正午時(shí)刻(圖2)和午夜時(shí)刻(圖3)的東海亮溫分布數(shù)據(jù)。

正午是一天中表面溫度最高的時(shí)刻,對(duì)應(yīng)的微波亮溫反映了月壤熱吸收和微波輻射能力;午夜是一天中表面溫度非常低的時(shí)刻,對(duì)應(yīng)的微波亮溫反映了月壤微波熱特性的分布特征。

2 東海微波輻射

圖2和圖3分別是東海地區(qū)正午和午夜時(shí)刻亮溫分布圖。圖2和圖3表明,正午和午夜時(shí)刻,東海地區(qū)玄武巖含量較高的區(qū)域A、B、C和D的亮溫明顯高于鄰近地區(qū);區(qū)域E的北部呈現(xiàn)高亮溫;區(qū)域F和G的亮溫隨時(shí)間、頻率變化較大。

圖2 正午時(shí)刻?hào)|海地區(qū)亮溫分布圖Fig.2 Brightness temperature of Mare Orientale on noon

圖2是正午時(shí)刻月海地區(qū)亮溫分布圖。圖2表明,3.0 GHz和7.8 GHz條件下,正午時(shí)刻?hào)|海盆地中部玄武巖覆蓋區(qū)域A和B的亮溫最高且分布比較均勻,比周圍高10 K左右,而區(qū)域A的亮溫略高于區(qū)域B;區(qū)域C的亮溫也較高,但明顯低于區(qū)域A和B;在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的玄武巖填充的區(qū)域D,亮溫明顯高于鄰近地區(qū);區(qū)域E僅北部亮溫較高;區(qū)域F和G的亮溫低于鄰近地區(qū)。在19.35 GHz和37 GHz圖像上,區(qū)域A和B仍是高亮溫區(qū)域,但區(qū)域A的亮溫明顯小于區(qū)域B,且面積明顯減小;區(qū)域C、D和E的亮溫分布特征變化不大;區(qū)域F和G則呈高亮溫,與低頻數(shù)據(jù)相反。

圖3是午夜時(shí)刻月海地區(qū)亮溫分布圖。圖3表明,3.0 GHz條件下,午夜時(shí)刻區(qū)域A和B的亮溫最高且分布比較均勻,比周圍高10 K左右,而區(qū)域A的亮溫略高于區(qū)域B;區(qū)域C的亮溫明顯高于周圍地區(qū),但低于區(qū)域A和B;區(qū)域D的亮溫較高,但同周圍的亮溫差異不顯著;區(qū)域E的亮溫不顯著;區(qū)域F和G呈低亮溫。在7.8 GHz,亮溫分布特征變化不大,但區(qū)域A的亮溫明顯高于區(qū)域B。在19.35 GHz圖像上出現(xiàn)局部亮溫高異常,且該高亮溫異常與東海的成分、結(jié)構(gòu)等因素?zé)o關(guān)。在37 GHz圖像上,區(qū)域A和B的高亮溫區(qū)域面積明顯減小,區(qū)域B中部地區(qū)的亮溫值低于周圍地區(qū);區(qū)域C、D和E的亮溫分布特征變化不大;區(qū)域F和G則呈高亮溫,仍然與低頻數(shù)據(jù)相反。

結(jié)合圖1、圖2和圖3可以看出,(FeO+TiO2)含量較高的區(qū)域,其正午和午夜時(shí)刻的亮溫都比較高;考慮不同頻率CELMS數(shù)據(jù)的穿透深度不同,區(qū)域A、B和E的亮溫分布特征表明,該區(qū)域的月壤成分是隨深度變化的;區(qū)域F和G的亮溫分布特征與區(qū)域A、B相反,表明該區(qū)域的微波輻射可能受更多因素的影響,其具體成因需要結(jié)合巖塊豐度、表面粗糙度等因素做進(jìn)一步分析。

圖3 午夜時(shí)刻?hào)|海地區(qū)亮溫分布圖Fig.3 Brightness temperature of Mare Orientale on midnight

3 東海地區(qū)微波輻射晝夜變化特征

月壤一定深度以下的溫度是恒定的。因此,同一頻率條件下的晝夜亮溫差值是微波可穿透深度范圍內(nèi)月壤溫度及成分特征變化的直接表現(xiàn)。

圖4是東海地區(qū)正午和午夜時(shí)刻的亮溫差值分布圖。圖4表明,3 GHz條件下,東海盆地中部玄武巖覆蓋區(qū)域A和B的亮溫差最高,與該地區(qū)較高的(FeO+TiO2)含量相對(duì)應(yīng);區(qū)域C的亮溫差略高于周圍地區(qū),但低于區(qū)域A和B;區(qū)域D的亮溫差較大,但同周圍的亮溫差值僅為2 K左右;區(qū)域E的亮溫差不顯著;區(qū)域F的亮溫差為負(fù)值,說明其夜間亮溫值高于白天,而其相鄰區(qū)域(約10°S/105°W和11°S/105°W)的亮溫差呈高值,同時(shí)該區(qū)域(FeO+ TiO2)含量很低,該亮溫差異常與月壤成分無關(guān);區(qū)域G的亮溫差較小。7.8 GHz條件下的亮溫差與3 GHz圖像相近,但亮溫差增大,區(qū)域A、B和D的高亮溫區(qū)域明顯減小。在19.35 GHz圖像上,區(qū)域A和B的正午和午夜的亮溫差最大,區(qū)域A的亮溫差小于區(qū)域B;而區(qū)域B以(24°S/93°W)為中心的地區(qū),出現(xiàn)較低亮溫差,而該地區(qū)(FeO+TiO2)含量很高,表明在19.35 GHz微波可穿透深度范圍內(nèi),月壤成分與表層的不一致;區(qū)域C和D的亮溫差較大,且分布比較明顯;區(qū)域E的亮溫差不顯著;區(qū)域F和G的表現(xiàn)與低頻圖像上相反,呈高亮溫差異常,其東部相鄰地區(qū)則呈現(xiàn)低亮溫差異常,具體原因不明。在37 GHz圖像上,亮溫差分布特征變化不大,區(qū)域B的高亮溫差分布面積明顯減小;區(qū)域F的亮溫差明顯低于其東部相鄰地區(qū);區(qū)域G呈高亮溫差,差值遠(yuǎn)高于其東部相鄰地區(qū)。

結(jié)合圖1和圖4可以看出,(FeO+TiO2)含量較高的區(qū)域A和B,其正午和午夜時(shí)刻的亮溫差都比較高;區(qū)域A和B高亮溫差隨頻率的分布特征則表明,表層月壤成分與深部是不同的;Maunder撞擊坑的高溫差值變化特征表明,其表層為(FeO+ TiO2)含量較低的物質(zhì),與基于UV-VIS數(shù)據(jù)得到的結(jié)果一致,但其深部仍為(FeO+TiO2)含量較高的物質(zhì);區(qū)域F和G的典型的亮溫差變化非常特殊,其具體成因有待進(jìn)一步考察。

圖4 東海地區(qū)正午和午夜時(shí)刻亮溫差值分布圖Fig.4 Difference between brightness temperature of Mare Orientale on noon and on midnight

4 東海地區(qū)微波輻射縱向變化特征

高頻微波的穿透深度很小;隨著頻率的減小,其穿透深度增大[9]。因此,同一時(shí)刻不同頻率的亮溫差異是月壤深部溫度、成分、密度等參數(shù)的直接表現(xiàn)。3 GHz和37 GHz分別是“嫦娥”衛(wèi)星微波輻射計(jì)所采用的最低和最高頻率,分別代表了同一位置CELMS數(shù)據(jù)所能反映的最大和最小深度范圍內(nèi)的月壤參數(shù)特征。因此,本研究使用了正午和午夜時(shí)刻37 GHz和3 GHz數(shù)據(jù)的亮溫差來進(jìn)行東海地區(qū)微波輻射縱向變化特征研究。

圖5 東海地區(qū)3 GHz和37 GHz條件下的亮溫差值分布圖Fig.5 Difference between brightness temperature of Mare Orientale in 3 GHz and in 37 GHz

圖5是正午和午夜時(shí)刻3 GHz和37 GHz條件下的亮溫差值分布圖。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,圖5表明,盡管玄武巖覆蓋地區(qū)正午和午夜時(shí)刻不同頻率的亮溫差較大,但在月陸地區(qū)的亮溫差也很大。這說明(FeO+TiO2)含量不是造成不同頻率亮溫差較大的主要原因。而在內(nèi)環(huán)之內(nèi)的東海盆地中,(FeO+TiO2)含量較高的地方,正午和午夜時(shí)刻的亮溫差都比較大,尤其是在以(24°S/92°W)為中心的區(qū)域,具有較大的亮溫差值,與(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輻射的重要影響因素。在區(qū)域F、G和以(13°S/103°W)為中心的地區(qū),正午和午夜都出現(xiàn)了明顯的高亮溫差異常;正午時(shí)刻的高亮溫差表明該地區(qū)表層溫度明顯高于同緯度其它地區(qū),而午夜時(shí)刻的高亮溫差則表明該地區(qū)深部的溫度明顯高于同緯度其它地區(qū),這很可能是高的月壤內(nèi)部熱流或其它因素造成的,值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

本研究基于“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星CELMS數(shù)據(jù),分別基于正午和午夜時(shí)刻的亮溫?cái)?shù)據(jù)、正午和午夜時(shí)刻的亮溫差以及不同頻率的亮溫差值,進(jìn)行了東海地區(qū)微波輻射特性研究。結(jié)果表明,在東海內(nèi)部(FeO+TiO2)含量較高的地區(qū),其正午和午夜時(shí)刻的亮溫值都比較高,亮溫差值也比較大,但其隨頻率分布的不均勻性則表明,該地區(qū)月壤成分是隨深度變化的;Maunder撞擊坑的(FeO+TiO2)含量較低,但其微波輻射特性表明,該地區(qū)37 GHz微波可穿透深度內(nèi)的月壤成分與表層一致,隨著深度的增加,月壤成分變化較大;區(qū)域F(約10°S/106°W)、G (約5°S/104°W)和以(13°S/103°W)為中心的區(qū)域的微波輻射特性則表明,該地區(qū)的月壤成分、溫度梯度存在異常。

由于數(shù)據(jù)的限制,本研究未能得到區(qū)域F和G的微波輻射異常的成因;同時(shí),研究中也沒有考慮地形、巖塊等因素對(duì)亮溫的影響。這也是未來研究的重要內(nèi)容之一。

致謝

本研究基于Clementine UV-VIS數(shù)據(jù)得到的月壤FeO和TiO2含量是在南京大學(xué)吳昀昭副教授幫助下完成的,所使用的月表亮溫?cái)?shù)據(jù)由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)鄭永春研究員提供。在此表示感謝!

[1]Wilhelms D E.The geologic history of the Moon[M].U.S: Geological Survey Prof.Paper,1987:1348.

[2]Spudis P D,Hawke B R,Lucey P.Composition of orientale basin deposits and implications of the lunar basin-forming process[J].Journal of Geophysical Research,1984,89(C): 197-210.

[3]Belton M J S,Head J W,et al.Lunar impact basins and crustal heterogeneity:new western limb and far side data from Galileo[J].Science,1992(255):570-576.

[4]Head J W,Murchie S,et al.Lunar impact basins:new data for the western limb and far side(Orientale and South Pole-Aitken basins)from the first Galileo flyby[J].J.Geophys. Res.,1993(98):17149-17181.

[5]Greeley R,Kadel S D,et al.Galileo imaging observations of lunar maria and related deposits[J].J.Geophys.Res., 1993(98):17183-17205.

[6]Bussey D B J,Spudis P D.Compositional analysis of the oriental basin using full resolution clementine data:some preliminary results[J].Geophysical Research Letters, 1997,24(4):445-448.

[7]Zhu M H,Chang J,et al.Potassium map from Chang'E-2 constraints the impact of crisium and orientale basin on the Moon[J].Sci.Rep.,2013(3):1611.doi:10.1038/ srep01611.

[8]Zheng Y C,Tsang K T,et al.First microwave map of the Moon with Chang'E-1 data:The role of local time in global imaging[J].Icarus,2012(219):194-210.

[9]姜景山,金亞秋.中國微波探月研究[M].北京:科學(xué)出版社, 2011.[Jiang J S,Jin Y Q.Selected papers on microwave lunar exploration in chinese Chang'E-1 project[M].Beijing: Science Press,2011.]

[10]金亞秋,顏鋒華,梁子長.微波輻射計(jì)對(duì)月面特征參數(shù)的遙感理論模擬[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2003,18(5):477-486.[Jin Y Q,Yan F H,Liang Z C.Simulation of brightness temperature from the Lunar surface using multi-channels microwave radiometers[J].Chin.J.Radio Sci.,2003,18 (5):477-486.]

[11]Gillis J J,Jolliff B L,Korotev R L.Lunar surface geochemistry:global concentrations of Th,K,and FeO as derived from lunar prospector and clementine data[J]. Geochim Cosmochim Acta,2004(68):3791-3805.

[12]Meng Z G,Xu Y,Zheng Y C,et al.Inversion of lunar regolith layer thickness with CELMS data using BPNN method[J].Planetary and Space Science,2014,105(15): 1-11.doi:10.1016/j.pss.2014.05.020.

通信地址:吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(130026)

電話:(0431)88502362

E-mail:mengzg@jlu.edu.cn

[責(zé)任編輯: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

孟治國(1978—),男,博士,副教授,主要研究方向:微波遙感、月壤參數(shù)反演研究。

2014-07-28

2014-08-18

國家自然科學(xué)基金(41371332、40901159);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB857101);澳門科技發(fā)展基金(084/2012/A3);浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(A1513)