基于嫦娥二号微波数据和Diviner数据的月壤介电常数反演研究

Lunar regolith is the product of impact gardening and space weathering in the past billions of years. The dielectric permittivity is highly related to regolith composition, thus, it is an important window for us to study the evolution of regolith. The widely used method to estimate dielectric constant is based on content of FeO and TiO2, which derived from multi-spectral data or gamma spectral data. However, it cannot reflect much information about subsurface dielectric property due to their shallow penetration depth. Here, we firstly derive the time-varying surface temperatures which have the same spatial resolution with Chang'E-2 microwave radiometer from LRO-Diviner data on basis of thermal radiation balance. This can be used to constrain thermal environment. Thus, subsurface temperatures can be derived by thermal diffusion equation. Secondly, assuming the regolith is a heterogeneous- and half-space media, we could simulate microwave brightness temperature (TB) by establishing a microwave radiative transfer model based on calculated temperature profiles. Lastly, combining with Chang’E-2 observed TB data, we could invert dielectric constants at different frequencies. The globally derived dielectric permittivity could characterize the physical properties of regolith and indicate the inhomogeneous involution.

月壤是月球数十亿年来经受天体撞击和太空风化的产物，其介电常数是月壤成分的直接反映，也是研究月壤地质演化的一个重要途径。基于普遍采用的多光谱和伽马光谱数据得到的FeO和TiO2含量而计算的介电常数分布无法准确反映月壤次表层的介电特性。本项目首先利用月球勘探轨道器获取的热红外数据，通过热辐射平衡计算得到与嫦娥二号微波辐射计空间分辨率相同的表面温度变化数据。以此约束月表热环境，并基于热扩散方程计算得到月壤次表层温度。其次，基于月壤为连续非均匀、半无限空间的假设，通过建立微波辐射传输模型计算得到月表数值模拟亮温。最后选取嫦娥二号微波亮温数据并结合数值模拟亮温反演得到不同厚度月壤层的介电常数。从而揭示月壤物理性质在月球表面和垂向空间的分布特征，指示了月壤地质演化的不均一性。

月球表面直接暴露在宇宙空间环境中，月壤的物理特性直接反映了月表的地质历史和太空风化作用过程。因此，研究月壤的物理特性可以反映月表的地质演化特征。遥感探测可以有效地获取全月表面信息，为研究月壤物理特性提供了可靠支持。.本研究采用了绕月探测10年以上的月球勘测轨道器（LRO）获取的Diviner热红外数据和中国嫦娥二号获取的全月微波亮温数据来分析月表的热辐射环境特征。以Diviner数据作为月表温度的边界约束，从而改进热传导模型，能够更加精确的计算次表层温度和微波温度数据。一方面我们重新评估和校正了嫦娥二号低频通道的亮温数据；一方面通过建立月壤和岩块混合物的介电常数模型，首次反演了月表部分撞击坑的石块体积含量和分布，并结合撞击坑的模式年龄定量地探讨了撞击坑的退化速率。.此外，我们还利用最新的月表高精度数字地形，结合月球星历数据计算了月表阿利斯塔克高原2025-2045年的实时光照和电场环境，探讨了地形和月球季节效应对月表有效太阳辐照度和电场的影响，为将来载人/无人月球探测选址提供参考依据。.中国计划2024年对月球南极展开探测，我们综合调研了有关月球极区的探测历史、地质演化特征、极区模拟月壤等文献，综合性地介绍了月球南极地质背景、水冰含量和分布以及模拟月壤制备的基本规范。从而为将来的月球极区探测提供一定的指导依据。.通过本项目的实施，我们在分析和解译Diviner热红外数据和中国嫦娥二号微波数据的基础上，对月表（包括极区）的热辐射环境，月壤的物理特性，撞击坑的退化速率等有了更深入的认识。尤其是对月表石块含量和分布，这一对月壤演化研究具有重要指示意义的特征，有了更丰富的认识。也为后续开展月壤地质演化特征提供了重要支撑。