综合主/被动微波遥感技术的月壤热特性参数研究及其地质意义分析

Research on the lunar regolith thermal parameters, including thermal conductivity and thermal flux, is of crucial importance in understanding the origin and geologic evolution of the Moon. The thermal parameters can directly change the temperature distribution within the lunar regolith, thereby affecting its microwave emission features. Therefore, this research is intented to construct the retrieval model of the lunar regolith thermal parameters based on the passive microwave radiative transfer equation and the thermal conduction equation. Then the Mini-SAR data from Chandrayann orbiter and the Mini-RF data from LRO orbiter are employed to evaluate the surface and volume scattering of the regolith layer. And the thermal parameter inversion model can be improved by taking the scattering effects into account. Fnally, the thermal parameters over the Moon surface will be inversed with the measured data from Apollo 15 and 17 missions and the CELMS data from Chang'E satellites. The result will be used to estimate the the content and distribution of the radioactive elements over the Moon surface, which is useful to further study the magmatic evolution and the internal structure and the thermal evolution of the Moon.

月壤的热特性参数包括热导率和热流系数等，是月球科学研究的重要目标之一。当前，对月壤内部热特性参数研究的资料较为匮乏。月壤热特性参数会改变月壤内部的温度分布，进而影响其微波发射特征。因此，本研究拟从电磁波辐射传输的机理出发，结合被动微波辐射传输方程和热传导方程等，建立月壤热特性参数反演模型；使用Chandrayaan卫星Mini-SAR数据和LRO卫星Mini-RF数据，通过正演模拟，获取影响微波辐射传输的面散射、体散射信息，完善月壤热特性参数反演模型；结合Apollo计划期间获取的月壤热特性资料及嫦娥系列卫星微波辐射计数据，进行月壤热特性参数反演研究；最后，根据月壤热特性参数的分布特征，结合月球岩性分布资料，推测月壳厚度以及放射性元素的分布，并深入分析月球岩浆演化和月球内部结构特征。 本项目的探索研究对进一步确定月球内部的能量运移特征、月球内部结构特征以及其热演化历史，具有重要意义。

在月球探测方面，我国嫦娥系列卫星首次搭载了微波辐射计(CELMS)，获取了多次覆盖全月表面的微波亮温数据，在人类探月活动中具有里程碑的意义，为研究一定深度范围内温度、成分、介电常数、热流系数等月壤热特性参数的分布提供了极佳的数据源。. 该项目以月壤热特性参数反演和地质意义分析为目标，研究结果包括三方面内容：(1)月壤热特性参数反演方案研究；(2)月壤微波热辐射特性研究；(3) 月壤热特性参数反演研究；(4)地质意义分析。. 第一方面，结合辐射传输模型、热传导模型和AIEM模型，建立了考虑介电常数、比热参数和热流系数的月壤热特性参数正演模型，同时考虑体散射效应的影响；该模型在方程求解过程中，会遇到一个模拟亮温值与多种月壤热特性参数组合相对应的问题，由此，引入统计D-矩阵方法，建立月壤热特性参数反演方案。. 第二方面，主要是基于所建立的月壤热特性参数正演模型和相关月球观测资料，完成了地形对月表温度的影响和厚度、（FeO+TiO2）含量、地形对月壤微波热辐射的影响研究；主要研究成果包括利用3 GHz、凌晨时刻的CELMS数据进行月陆地区月壤厚度反演是可行的、（FeO+TiO2）含量是局部地区月壤微波热辐射的重要影响因素等，对基于CELMS数据的月壤参数研究具有重要的指导意义。. 第三方面，主要是基于所建立的月壤热特性参数反演方案和BP人工神经网络方法，初步进行了月壤厚度、介电常数、（FeO+TiO2）含量和热流参数的反演研究，取得了明显有别于可见光、红外及雷达技术的成果；这不仅再次证明了嫦娥卫星CELMS数据的独特价值，而且对进一步提示月球岩浆演化和浅层月壳热活动等，具有重要意义。. 第四方面，根据月壤热特性参数的初步研究成果，在月球表面发现了大量热特性参数异常的区域，重点进行了Orientale海、Tycho撞击坑等为代表的热点和冷点异常研究，并完成了对Von Karman撞击坑、Imbrium海、Moscoviense海、Hertzsprung盆地、Aristarchus高原等热特性参数异常区域的成因研究及其地质意义分析。. 这些成果为我们深入分析浅层月壳热活动、月球岩浆演化等，提供了直接参考，具有重要意义。