連 懿, 陳圣波, 孟治國, 張 瑩, 路 鵬

吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院, 吉林長春 130021

基于嫦娥二號微波輻射計數(shù)據(jù)月球中低緯度亮溫異常區(qū)地質(zhì)分析研究

連 懿, 陳圣波*, 孟治國, 張 瑩, 路 鵬

吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院, 吉林長春 130021

月球表面的微波輻射亮度溫度與月表地質(zhì)結(jié)構(gòu)和月表物質(zhì)的物理化學特性相關(guān)。為了對月球亮溫分布異常區(qū)域進行地質(zhì)分析, 文章首先計算嫦娥亮溫數(shù)據(jù)的時角, 采用克里金插值的方法得到了不同頻率不同時刻中低緯度的微波亮溫圖。結(jié)合奇異值分解(SVD)模型分析了月表亮溫變化異常, 結(jié)果表明風暴洋位置和靠近月海東北部的高地區(qū)域等存在亮溫變化異常, 月海區(qū)域(除風暴洋外)為3 GHz和37 GHz兩個場的總體相關(guān)區(qū)域。通過對月球火山分布地區(qū)的區(qū)域亮溫變化進行分析, 發(fā)現(xiàn)這熱異?？赡苁怯捎谠虑蚧鹕交顒釉斐傻摹?/p>

嫦娥; 微波輻射計; 亮溫; 奇異值分解(SVD)模型

嫦娥衛(wèi)星是世界上首次在月球軌道上搭載了微波輻射計進行探測的資源衛(wèi)星。嫦娥微波輻射計探測了包含了月表不同頻率的微波輻射亮溫。其亮溫值受到月球內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響, 利用亮溫數(shù)據(jù)對月球火山分布地區(qū)進行地質(zhì)分析, 有利于了解月球的進化和整體的框架(歐陽自遠, 2009)。

目前, 基于微波輻射計數(shù)據(jù), 開展了不同目標的科學研究?；阪隙鹞⒉ㄝ椛溆嫷皖l數(shù)據(jù), 根據(jù)輻射傳輸模型, 主要實現(xiàn)了月壤厚度(Meng et al., 2011; 法文哲等, 2007)和月壤中3He的資源量的反演(王振占等, 2009a; Fa et al., 2007)?；谔綔y深度較淺的高頻數(shù)據(jù), 配合模擬的月球表面溫度剖面可以反演出月球表面的介電常數(shù)分布(王振占等, 2009b)。對嫦娥亮溫影響最大的參數(shù)是月壤的溫度,亮溫變化異常的研究也是嫦娥微波輻射計數(shù)據(jù)的科學目標。Zheng等(2012)等通過對嫦娥微波輻射計數(shù)據(jù)的時角校正, 研究了月球晝夜亮溫的變化異常區(qū)域, 發(fā)現(xiàn)主要是由于撞擊坑形成年代不同造成的亮溫變化差異。Zhang等(2010)通過研究南極地區(qū)輻射異常, 預測了水冰可能存在的區(qū)域。宮曉蕙(2012)等則觀測了新老環(huán)形山的晝夜表面熱輻射的變化。

前人對于亮溫變化異常的研究都是基于晝夜這兩個時刻的亮溫數(shù)據(jù), 但不同深度的溫度不同,微波輻射計測量亮溫的時變特性不同, 尤其在白天表現(xiàn)非常明顯, 差別并不僅僅體現(xiàn)晝夜差異上。因此文章中通過對采樣時角的計算, 獲取月球不同時角的中低緯度地區(qū)微波亮溫, 結(jié)合奇異值分解SVD(Singular Value Decomposition)模型, 研究月球中低緯度亮溫變化異常, 進而對亮溫異常區(qū)域進行地質(zhì)分析, 發(fā)現(xiàn)這種異?？赡苡捎诨鹕交顒釉斐伞?/p>

1 嫦娥2號微波輻射計數(shù)據(jù)

搭載微波輻射計的嫦娥二號衛(wèi)星于2010年10 月1日成功發(fā)射, 測量了整個月球表面的微波熱輻射。嫦娥衛(wèi)星的微波輻射計探測頻率為 3.0 GHz、7.8 GHz、19.35 GHz和37.0 GHz, 每個頻段的探測靈敏度均為 0.5 K, 空間分辨率 3.0 Ghz通道下為50 km, 在7.8 GHz、19.35 GHz、37 GHz通道下為35 km。微波輻射計亮溫數(shù)據(jù)以PDS(Planetary Data System)標準存儲, 2C級軌道數(shù)據(jù)包括了數(shù)據(jù)采樣時間、4個頻率通道的亮溫、星下點太陽入射角和方位角、月球表面經(jīng)緯度以及軌道高度等信息。其中, 星下點太陽入射角和方位角、月球表面緯度可以用來計算月球時角, 也就是月球當?shù)貢r間。文章將由嫦娥二號微波輻射計在 2010年 10月至 2011 年2月間的1468軌亮溫數(shù)據(jù), 提取月球中低緯度地區(qū)亮溫值, 并確定觀測時所處月球的當?shù)貢r間。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 亮溫時角校正

為了研究月表亮溫隨時間變化規(guī)律, 研究中采用了時角來表示月球的時間(Fa et al., 2007)。在地平坐標系統(tǒng), 采用嫦娥2號微波輻射計2C級數(shù)據(jù)中的太陽入射角和方位角來表示太陽的方位。但當?shù)貢r間的時角還與緯度有關(guān), 因此我們采用赤道坐標系來表示月球的時角信息。在地平坐標系到赤道坐標系的轉(zhuǎn)化中, 將太陽入射角和方位角信息轉(zhuǎn)化為時角信息, 其計算公式(Zhang et al., 2010; Chan et al., 2010)為:

其中, i是太陽入射角, 取值范圍是[0, π]; a是太陽方位角, 取值范圍是[0, 2π]; φ是負極角, 取值范圍是[-π, π]; λ是緯度, 取值范圍是[-π/2, π/2]。h則表示時角, h = -φ。

2.2 SVD模型

奇異值分解SVD(Singular Value Decomposition)方法是通過分析兩個要素場之間的相關(guān), 以兩個場協(xié)方差最大為基礎(chǔ)展開, 分別計算交叉協(xié)方差矩陣的奇異值及正交的左、右奇異向量及時間系數(shù), 成對的奇異向量構(gòu)成一對SVD空間模態(tài),分為異類相關(guān)和同類相關(guān)。異類相關(guān)表明一個場的某一模態(tài)時間變化對另一個場的總影響狀況(即異類關(guān)場)。同類相關(guān)表明一個場的某一模態(tài)時間變化對自身場的影響狀況(白人海, 2001)。其公式如下:

假設(shè)X是n×d的矩陣: X=UAVT。其中, U是一個n×n的矩陣, V是另一個d×d的矩陣, A則和X一樣是n×d的矩陣, 矩陣A的對角線上的元素等于M的奇異值。U和V的列分別是奇異值中的左、右奇異向量。

3 中低緯度亮溫分析

3.1 不同時刻中低緯度亮溫分布

基于簡單圓柱投影和 GCS_MOON_2000坐標系, 并對不同時角范圍的亮溫數(shù)據(jù)按照0.5°×0.5°分辨率的網(wǎng)格進行填圖, 進行克里金插值, 得到不同時角不同頻率的微波亮溫。以正午時刻37 GHz亮溫分布為例, 月球表面亮溫隨緯度升高而降低, 這由于影響亮溫的月球表面物理溫度從赤道向兩極逐漸降低(圖1)。

圖1 頻率37 GHz時角0°～30°微波亮溫圖Fig. 1 Microwave brightness temperature image of 0°～30° in 37 GHz frequency channel

月表溫度對于不同頻率的亮溫影響也不同, 為了研究不同頻率亮溫和物理溫度在不同時角的變化關(guān)系, 將不同時角下的亮溫數(shù)據(jù)和 Apollo 15的測量結(jié)果進行比較, 其中物理溫度采用 Apollo 15熱流實驗中對月表溫度的測量結(jié)果。如圖2所示4個不同頻率的亮溫和溫度隨時角的變化而變化, 從月球時間6:00(時角為-120°)時, 亮溫開始隨時角的增加而增大, 在月球時間 15:00(時角為 45°)達到了最高值, 這與溫度變化的趨勢幾乎一致。比較不同頻率的亮溫, 發(fā)現(xiàn)在月球白天頻率越高亮溫越大, 而在夜晚則相反, 這是由于不同頻率探測的月壤深度不同, 越深層的月壤溫度受到太陽的輻射影響越小。

圖2 溫度和亮溫隨時角變化Fig. 2 Temperature and brightness temperature versus hour angle

為了研究高程對不同頻率亮溫的影響, 文章中選擇Apollo 15登月點所在的緯線作為剖面進行高程和不同頻率亮溫的對比分析。如圖3所示, 隨著頻率的升高, 地形對亮溫的影響表現(xiàn)的越來越明顯, 3 GHz通道亮溫的分布主要表現(xiàn)出亮溫隨緯度的變化而產(chǎn)生的差異, 因為 3 GHz電磁波穿透深度大,所以地形對亮溫的影響表現(xiàn)不明顯, 只有模糊的輪廓。亮溫分布圖顯示頻率越高, 體現(xiàn)出來的細節(jié)變化越多, 在圖 1上某些撞擊坑已經(jīng)清晰可見, 并且投影圖像所呈現(xiàn)出來的特征也越接近 Clementine UV/VIS圖像的特征。

3.2 基于SVD模型中低緯度亮溫異常分析

為了研究月壤不同深度的溫度異常, 文章中選取了微波輻射計最低頻率也就是探測深度最深的3 GHz的亮溫數(shù)據(jù)作為SVD模型的左場, 最高頻率通道37 GHz的亮溫數(shù)據(jù)作為SVD模型的右場, 采用月球時間的一晝夜(共12個時刻)作時間序列, 進行SVD分析。

通過分析異類相關(guān)圖, 絕大多數(shù)地區(qū)為正相關(guān)。3 GHz中低緯度亮溫和37 GHz中低緯度亮溫的時間系數(shù)的異類相關(guān)性如圖4a所示, 最小負相關(guān)系數(shù)僅為-0.32, 在風暴洋位置和靠近月海東北部的高地區(qū)域存在一點負相關(guān)區(qū)域, 相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域主要分布月海區(qū)域, 除風暴洋外。37 GHz中低緯度亮溫和3 GHz中低緯度亮溫的時間系數(shù)的異類相關(guān)性如圖4b所示, 全部為正值, 相關(guān)系數(shù)最大區(qū)域同樣也主要位于月海。通過分析同類相關(guān)圖(圖4c, d), 絕大多數(shù)地區(qū)也為正相關(guān), 并且在相關(guān)系數(shù)分布區(qū)域也和異類相關(guān)圖有著共同的特征。對比左右場的同類和異類相關(guān)圖, 得出風暴洋外的月海是兩個場的總體相關(guān)區(qū)域; 風暴洋和靠近月海東部的高地區(qū)域是亮溫的變化異常區(qū)域。

圖4顯示, 月海中同一緯度下左右場相關(guān)性低也就是亮溫變化異常的區(qū)域在風暴洋邊緣, 而該地區(qū)正是火山分布密集區(qū)域, 所以亮溫變化異?？赡苁怯捎谠摰貐^(qū)的火山活動造成的。從整體分布上看月海地區(qū)的亮溫變化異常相對月陸來說更加明顯,這可能是由于月海中火山相對較少, 所以在相關(guān)圖中呈正相關(guān)。從圖 4中還可以看出, 右場的同類相關(guān)系數(shù)和異類相關(guān)系數(shù)明顯要高于左場, 這由于作為右場 37 GHz通道探測深度較淺, 其月表亮溫主要受到太陽輻射的影響, 因此在不存在永久陰影區(qū)的中低緯度上表現(xiàn)出了很高的相關(guān)性, 這也和輻射傳輸機理相符。

3.3 火山亮溫異常分析

研究發(fā)現(xiàn)通過 SVD模型分析的亮溫異常區(qū)域,大多位于火山附近。由于火山活動是月球內(nèi)部地質(zhì)作用的外在表現(xiàn), 因此火山是認識月球內(nèi)部特征的窗戶。不同時間形成的月球內(nèi)部不同的深度的玄武巖漿其成分往往存在差異, 尤其是鐵鈦含量的差異可能是造成亮溫異常的主要原因(肖龍等, 2009)。這里選取風暴洋附近的 Cruger火山(圖 1), 和不同時角下的同一緯度下的月表平均亮溫進行比較(圖5)。在3 GHz和37 GHz頻率下, 火山口的亮溫值都高于平均亮溫值, 說明該區(qū)域是一個相對熱點。而在37 GHz頻率下火山分布地區(qū)和月表同一緯線的亮溫隨時角變化趨勢基本一致, 這是由于月球火山分布地區(qū)表面的成分和同一緯度其他區(qū)域的成分相對一致。而在3 GHz頻率下火山口的亮溫變化相對波動比較大, 在出現(xiàn)了幾次升溫, 其溫度最高點的位置也不同, 這是由于3 GHz的探測深度較深, 其深層的月壤和月巖成分受到月球表面環(huán)境影響較小,其成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能異于同一緯度其它地區(qū)。

圖4 3 GHz的亮溫數(shù)據(jù)為左場、37 GHz的亮溫數(shù)據(jù)為右場SVD第1模態(tài)圖Fig. 4 The first modal map of 3 GHz brightness temperature data for the left field, 37 GHz brightness temperature data for the right field

4 結(jié)論

本文基于嫦娥2號微波輻射計數(shù)據(jù), 對每個采樣點進行亮溫時角校正, 采用克里金插值的方法,得到不同頻率不同時角的中低緯度的微波亮溫分布。亮溫圖分布顯示, 月球表面各頻率亮溫隨緯度升高而降低; 頻率越高, 全月球表面亮溫分布差異越大, 月表亮溫同時也隨著時角的變化而變化。文章選取了微波輻射計 3 GHz的亮溫數(shù)據(jù)作為左場, 37 GHz的亮溫數(shù)據(jù)作為右場, 建立了 SVD模型,分析月球中低緯度地區(qū)不同深度亮溫變化異常的關(guān)系。由于火山活動是月球內(nèi)部地質(zhì)作用的外在表現(xiàn),因此認為該異常可能是由于火山活動造成的。文章以 Cruger火山為例對火山分布地區(qū)和周圍環(huán)境不同頻率亮溫分布進行了對比分析。研究表明:

1)風暴洋位置和靠近月海東北部的高地區(qū)域等火山集中區(qū)域為亮溫變化異常區(qū)域;

2)月海區(qū)域(除風暴洋外)為3 GHz和37 GHz兩個場的總體正相關(guān)區(qū)域;

3)火山分布地區(qū)和周圍環(huán)境亮溫分布的差異,在探測深度深的低頻亮溫數(shù)據(jù)較大, 而高頻的亮溫比較一致, 這說明由于火山活動的影響, 其成分可能異于同一緯度其它地區(qū)。

圖5 不同頻率火山區(qū)域和周圍環(huán)境亮溫隨時角變化比較Fig. 5 Cruger crater and average brightness on the same latitude of Cruger crater brightness temperature versus hour angle

白人海. 2001. 大西洋海表溫度異常與中國東北地區(qū)夏季降水的關(guān)系[J]. 海洋通報, 20(1): 23-29.

法文哲, 金亞秋. 2007. 三層月壤模型的多通道微波輻射模擬與月壤厚度的反演[J]. 空間科學學報, 27(1): 55-65.

宮曉蕙, 金亞秋. 2012. “嫦娥一號”對月球新生環(huán)行山表面熱輻射“熱點”與“冷點”晝夜變化的觀測[J]. 中國科學: 信息科學, 42(8): 923-935.

歐陽自遠. 2009. 嫦娥一號衛(wèi)星的初步科學成果與嫦娥二號衛(wèi)星的使命[J]. 航天器工程, 19(5): 1-6.

王振占, 李蕓, 姜景山, 李滌徽. 2009a. 用“嫦娥一號”衛(wèi)星微波探測儀亮溫反演月壤厚度和3He資源量評估的方法及初步結(jié)果分析[J]. 中國科學 D 輯: 地球科學, 39(8): 1069-1084.

王振占, 李蕓, 張曉輝, 姜景山, 胥傳東, 張德海, 郭偉. 2009b.“嫦娥一號”衛(wèi)星微波探測儀數(shù)據(jù)處理模型和月表微波亮溫反演方法[J]. 中國科學D輯: 地球科學, 39(8): 1029-1044.

肖龍, 何琦, 黃定華, 繆秉魁, 張振飛, 楊瑞琰, 張志. 2009. 太陽系天體的火山作用及其比較行星學意義[J]. 地質(zhì)科技情報, 27(1): 21-30.

References:

BAI Ren-hai. 2001. Relations Between the Anomaly of Sea Surface Temperature in the Atlantic and the Precipitation in Summer over Northeast China[J]. Marine Science Bulletin, 20(1): 23-29, 125(in Chinese with English abstract)

CHAN K L, TSANG K T, KONG B, ZHENG Yong-chun. 2010. Lunar regolith thermal behavior revealed by Chang’E-1 microwave brightness temperature data[J]. Earth Planet Science Letter, 295(1-2): 287-291.

FA Wen-zhe, JIN Ya-qiu. 2007. Inversion of Lunar Regolith Layer Thickness Using Microwave Radiance Simulation of Three Layer Model and Clementine UV-VIS Data[J]. Space Science, 27(1): 55-65(in Chinese with English abstract).

FA Wen-zhe, JIN Ya-qiu. 2007. Quantitative estimation of helium-3 spatial distribution in the lunar regolith layer[J]. Icarus, 71(190): 15-23.

GONG Xiao-hui, JIN Ya-qiu. 2012. Diurnal change of thermal emission with “hot spots” and “cold spots” of fresh lunar craters observed by Chinese Chang’E-1[J]. Science China, 42(8): 923-935(in Chinese with English abstract).

MENG Zhi-guo, CHEN Sheng-bo, DU Xiao-juan, EDWARD Matthew Osei Jnr, LU Peng, WANG Zi-jun. 2011. Influence of temperature and frequency on microwave dielectric properties of lunar regolith stimulant[J]. Chinese Geographical Science, 21(1): 94-101.

OUYANG Zi-yuan. 2009. Science Results of Chang’e-1 Lunar Orbiter and Mission Goals of Chang’e-2[J]. Spacecraft Engineering, 19(5): 1-6(in Chinese with English abstract).

WANG Zhen-zhan, LI Yu, JIANG Jing-shan. 2009a. Lunar surface dielectric constant, regolith thickness and helium-3 abundance distributions retrieved from microwave brightness temperatures of CE-1 Lunar Microwave Sounder[J]. Science China Series D-Earth Sciences, 39(8): 1069-1084(in Chinese).

WANG Zhen-zhan, LI Yu, ZHANG Xiao-hui, JIANG Jing-shan, XU Chuan-dong, ZHANG De-hai, GUO Wei. 2009b. In-orbit calibration of and antenna pattern correction to CE-1 Lunar microwave sounder (CELMS)[J]. Science China Series D-Earth Sciences, 39(8): 1029-1044(in Chinese).

ZHANG Wei-guo, JIANG Jing-shan, LIU He-huang, ZHANG Xiao-hui, ZHANG De-hai, LI Di-hui, XU Chuan-dong. 2010. Distribution and anomaly of microwave emission at lunar south pole[J]. Science China Series D-Earth Sciences, 39(8): 1059-1068.

ZHENG Y C, TSANG K T, CHAN K L, ZOU Y L, ZHANG F, OUYANG Z Y. 2012. First microwave map of the Moon with Chang’E-1 data: the role of local time in global imaging[J]. Icarus, 219: 194-210.

XIAO Long, HE Qi, HUANG Ding-hua, MIAO Bing-kui, ZHANG Zhen-fei, YANG Rui-yan, ZHANG Zhi. 2009. Volcanism on Celestial Bodies of Solar System: Implications for Comparative Planetology[J]. Geological Science and Technology Information, 27(1): 21-30(in Chinese with English abstract).

Geological Analysis of Lunar Middle and Low Latitude Brightness Temperature Anomaly Area Based on Chang’E-2 MRM Data

LIAN Yi, CHEN Sheng-bo*, MENG Zhi-guo, ZHANG Ying, LU Peng
College of Geoexploration Science and Technology, Jilin University, Changchun, Jilin 130021

China’s Chang’E-2 is for the first time equipped with a passive microwave radiometer (MRM) to measure the brightness temperature of different lunar surfaces. To make geological analysis of the anomaly of brightness temperature, the authors calculated the hour angle of the brightness temperature data and obtained the brightness temperature of middle and low latitudes at different frequencies and in different periods by Kriging interpolation method. The anomaly of brightness temperature on lunar surface was obtained based on the SVD model. The result shows that Oceanus Procellarum and the highland region of northeast lunar mare with concentrated volcanic rocks constitute the brightness temperature anomaly area. The large lunar mare area is an overall correlation region of 3 GHz and 37 GHz.

Chang’E; microwave radiometer; temperature brightness; Singular Value Decomposition (SVD) model

P184.53; P171.3

A

10.3975/cagsb.2014.05.15

本文由國家自然科學基金項目(編號: 41372337)資助。

2014-03-24; 改回日期: 2014-05-26。責任編輯: 魏樂軍。

連懿, 男, 1986年生。博士研究生。主要從事月球微波遙感研究。通訊地址: 130021, 吉林省長春市西民主大街6號。E-mail: fishlice@163.com。

*通訊作者: 陳圣波, 男, 1967年生。教授, 博士生導師。主要從事定量遙感研究。通訊地址: 130021, 吉林省長春市西民主大街938號。

E-mail: chensb@jlu.edu.cn。