火星O_2(a-1Δ_g)...高光谱分辨辐射传输特性研究_武魁军.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，武魁军，吴传航，胡向瑞等 火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究地球物理学报，（）：，：，（）.（），（）：，：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究武魁军，吴传航，胡向瑞，王后茂，熊远辉，李娟，何微微烟台大学物理与电子信息学院，山东烟台 中国科学院国家空间科学中心，北京 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 摘要 波段的氧分子近红外气辉是火星大气最重要的气辉辐射之一，该气辉高光谱分辨辐射传输模型的建立对于研制火星探测载荷，反演火星大气的风场温度场与臭氧浓度，以及研究火星空间物理，有重要的科学价值与工程意义在研究火星大气（）气辉光化学反应模型的基础上，提出了（）气辉体辐射率的计算方法，并建立 了 火 星 大 气 气 辉 辐 射 传 输 理 论；通 过 与 用 于 研 究 火 星 大 气 特 征 的 光 谱 学 探 测 仪（，）的实测数据进行对比，验证了所建立的火星（）气辉高光谱分辨辐射传输模型的准确性；针对火星与地球大气的（）气辉，在体辐射率、自吸收效应，以及临边辐射光谱特性三个方面进行了系统深入的比较，对比结果表明，火星大气由于密度低、氧气丰度小，其自吸收效应可以忽略不计，但其（）气辉辐射强度与地球大气相当，可以用于火星大气的风场温度场与臭氧浓度的探测与反演关键词临近空间；（）（）波段；气辉；体辐射率；临边辐射强度 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家自然科学基金项目（，），山东省自然科学基金（），山东省高等学校“青创科技支持计划”（）资助第一作者简介武魁军，男，博士，副教授，主要从事光学遥感及空间物理方面的研究 ：通讯作者何微微，女，博士，副教授，主要从事光学遥感及空间物理方面的研究 ：（），期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究 （），（）（）（）（）：，（），；（）（）；引言自 世纪 年代以来，人类先后完成了月球、太阳和原“九大行星”的探测，太空活动范围已覆盖太阳、行星及其卫星、小行星等各种类型天体 火星是距离地球第二近的行星，作为太阳系中与地球最为相似的行星，可能是最适合生命出现和生存的地外行星（，；，；，）火星与地球的相似程度引起了人们相当大的好奇心，因此长期以来火星一直是国际顶级科研机构在深空探测领域最瞩目的研究对象 年，随着我国“天问一号”（，）、阿联酋“希望号”和美国“火星 ”三款探测器（车）相继到达火星，全球火星探测的热潮被再次点燃（，；，）火星大气参数，如密度、温度、风速、各组分浓度等信息，不仅是建立火星大气动力学和热力学模型以及研究火星大气 现 状及 演化 规 律 的 关 键 参 量（，；，），同时也是指导火星探测器顺利完成轨道切入并成功着陆的重要依据 因此，火星大气探测与建模具有重要的科学价值和工程意义目前，火星探测器主要依靠巡航飞行器上搭载的被动光学设备探测火星大气中气辉、风、温、密、压等大气参数信息（，；，）作为大气光化学反应过程的产物，气辉是研究火星大气的很好的示踪物，其分布和变化过程蕴含着火星大气多种参数信息（，；，）波段的氧气分子近红外气辉是火星最重要的大气气辉辐射之一，它是由氧气分子第一激发态（）到基态（）的跃迁产生的 在电子态跃迁过程中，伴随着振动态和转动态的跃迁，该过程使得氧气分子近红外气辉成为包含约 条辐射线的光谱带（，；，）在火星大气的诸多气辉辐射谱线中，其辐射强度最强，高度覆盖范围最广，极易被近红外光谱仪捕捉观察，同时涉及许多重要光化学反应（，）因此，建立该气辉高光谱分辨辐射传输模型极具科学价值与工程意义首先，（）气辉可以用来反演火星大气中臭氧分子的空间分布（，；，），是火星大气中化学反应最活跃的物种之一 研究臭氧的空间分布和时间演化是探索火星空间环境、完善火星光化学模型的必要手段 等（）通过利用臭氧 红外波段谱线外差，直接观测 在火星大气中的空间分布和时间演化规律，并给出中低纬度地区臭氧垂直分布的第一个数据，但臭氧在火星大气中含量很低，同时受到 分子、尘埃颗粒物的影响，因此观测到的谱线强度很低，观测误差大、范围窄，反演得到的臭氧丰度不稳定 等（）通过哈勃太空望远镜（，）微弱物体光谱仪（，）对火星进行了紫外线（）光谱扫描，利用紫外波段的探测数据反演了的高度廓线，测量的光谱包括许多成分（臭氧吸收、气体的瑞利散射、表面反射尘埃和冰云的散射和吸收等），但反演的参数较多，不确定性太大而（）作为臭氧光解的直接产地 球 物 理 学 报（）卷物，可以间接测量 含量，（）提出通过分析 （）的体辐射率（，）来间接获取 浓度的反演方法 实践证明，（）气辉是目前测量高海拔臭氧的最好、最精准的办法其次，（）气辉还可以用来测量火星重力波 等（）给出了在火星大气中传播的重力波引起气辉反应模型的第一个模拟数据结果，并对选定的气辉特征图像进行对比度测量，建立了两个监测火星大气重力波活动的系统：天顶地面成像系统（）和基于轨道器的成像系统（）等（）通过火星快车空间探测器（，）上的 成像光谱仪以 （）气辉辐射为目标源追踪火星重力波 重力波优先在 和 之间的高入射角处被发现，当入射角 时，气辉强度波动约为 气象模式预测了与 （）波型相同的纬度范围内的重力波活动，证实了气辉成像是探测和研究重力波二维传播的一种有效方法此外，（）气辉也是目前测量火星大气温度场、火星大气风场的手段之一，等（）鉴于 （）气辉辐射强度相对较强、自吸收能力相对较弱，加拿大 计划部署的中间层成像迈克尔逊干涉仪（，）以及 的 计 划 支 持 的 波 成 像 迈 克 尔 逊 干 涉 仪（，）均采用该谱带的强、弱两组气辉谱线（每组条）对地球 高度进行风温探测 等（）在参考 及 设计理念的基础上，提出将多普勒成像技术应用于火星大气风场温度场探测，并设计了一种低重量宽 视场 迈 克 尔 逊 干 涉 仪（，）该仪器能够观测 （）气辉的自然辐射，并测量其多普勒频移、光谱线宽和平均强度，从而提供火星大气 高度范围内的风场、温度场及臭氧的廓线信息 等（）提出在宽场迈克尔逊干涉仪中使用折射材料实施分镜技术的火星成像迈克尔逊干涉仪（，），并以风速不确定性作为主要标准，分析了它在测量目标排放时的行为，验证了 能够进行火星精确测风可行性为了更加深入和全面地观测和了解火星大气氧气分子近红外气辉的辐射特性，欧美发达国家相继研制发射了多颗针对火星大气气辉辐射的卫星载荷并获得了大量的观测数据（，）年，欧洲空间局发射 对（）气辉进行了连续观测 年，美国国家航空航天局发射火星勘测轨道飞行器（，），装置在火星勘测轨道飞行器 上的火星专用小型勘测成像光谱仪（，）采用临边观测模式，获得了第一套火星（）气辉体辐射率剖面数据（，）等（）结合最新云微物理模型将检索到的（）气辉光剖面与动态气象实验室全球气候模型（，）中同位置（纬度、经度、高度）以及同时间模拟的（）进行了比较火星 分子近红外气辉遥感数据的大量积累，也有力地推动了气辉辐射理论研究的发展 为更好的理解和利用（）气辉辐射，欧美发达国家相继建立了相应的（）气辉辐射传输模型 和 （）提出了第一个普遍接受的和 光解模型 等（）进一步改进了该模型 等（）在地球（）气辉模型建立的基础上，给出了火星大气中（）气辉的光化学模型，通过 数据库中 非辐射测量值建立了参考光谱，并利用近红外辐射光谱（光谱范围 ）与参考光谱进行差分处理，得 到 了（）气 辉 的 绝 对 辐 射 强 度 等（）在 的基础上，将观测到的（）倾斜辐射率与使用 积分的 的（）气辉强度垂直曲线进行比较，使得 与 数据在春季和夏季北部以及其他季节的北部高纬度地区具有更好的一致性 其结论与 等（）利用 临边观测的初步分析相一致截至目前，（）气辉辐射传输模型已经初步建立，但光谱分辨率较低，无法揭示（）波段气辉辐射谱带的精细光谱结构 反演风场和温度场需要光谱分辨率达 （），所以高光谱分辨模式的缺少会严重限制 （）在火星大气温度场和风场中反演的应用本论文的目的就是构建高光谱分辨率的 （）火星大气气辉辐射传输模型，为火星大气遥感，尤其是火星大气温度场和风场中反演期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究的应用提供理论指导 第一部分给出了 （）的产生机理及辐射传输理论 第二部分介绍了观测仪器，第三部分对临边观测得到的数据进行处理，计算得到 （）辐射强度 第四部分将火星和地球进行了数据对比处理 本文的第五部分对得到的数据结果进行了总结基本原理（）气辉光化学反应模型氧气分子的近红外大气带气辉辐射（）波段是由氧气分子的激发态到基态，即（）（）跃迁产生的 在地球上，（）昼气辉的产 生 机 理 主 要 是 分 子 在 及 带的紫外光解，分子在 带的紫外光解，以及 分子的近红外共振吸收（，）相对于地球而言，火星上的氧气丰度较小（约 ），且大气密度低（地表大气压约 ），其吸收率只有地球体系的千分之一到千分之五左右，所以 分子的紫外光解效应以及近红外共振吸收效应均可忽略 因此火星上（）激发态主要来自臭氧在太阳紫外辐射下的光解作用，这也是造成地球和火星气辉形成差异的最大因素之一，图给出了（）气辉产生机理在白天，分子在 带的紫外光解产生（）的光化学反应可以表示为（，）（）（），（）（）（）.（）这里是普朗克常数，；是光的频率；代表波长两个反应的有效性分别为 和 等（）得出臭氧光解速率系数导致了（）的形成速率从靠近远日点 到靠近近日点 不断变化 等（）得出在近日点时 光解速率系数取决于太阳通量、太阳天顶角、温度，同时又和火星与太阳之间的距离、臭氧浓度有关系，所以是一个变化的值 在本文中，光解速率系数的值使用了 的计算结果在夜晚，（）的产生主要通过三体反应，反应方程式如下（，）：（）.（）图火星（）气辉产生机理代表太阳光谱中的 带的光解过程，（）表示单个氧原子的第一激发态电子态（）表示单个氧原子的基态电子态，（，）表示氧分子的第二 激发态电 子 态，、分 别代 表、近红外的太阳激发过程，（）表示氧分子的基态电子态（）表示氧分子的第一激发态电子态 （）（），（）（，），（），（）根据 （）的研究，在火星大气中，该反应的柱速率为 反应峰值出现在 处，预期的气辉光柱强度为 （）的损耗过程包含两种机制，一是自发辐射，另一个是碰撞湮灭激发态分子如果没有被其他分子碰撞而湮灭，则会发生自发辐射，即从（）激发态跃迁至（）基态，在这个过程中，分子的势能被释放，辐射出光子，产生 的气辉光谱 此外，处于激发态的（）极不稳定，容易与大气中其他气体分子发生碰撞而湮灭至基态，分子的势能转换成动能，不辐射出光子，即没有气辉产生（）的损耗过程可以用下列两个公式（）、（）给出（，）：（，）（，），（）（）（），（）地 球 物 理 学 报（）卷式中，是分子跃迁上能级的振动量子数；火星上的碰撞湮灭只考虑 分子，这是因为火星大气中 的含量高达 ，主导了（）的碰撞损耗（）的自发辐射从激发态 跃迁，进入基态电子态的振动能级 和，两个跃迁分别对应近红外的 （，）和 （，）两个波段 根据实验室测量，的辐射强度是 的辐射强度的 倍（，），所以我们选择忽略 （，）波段产生的影响 体辐射率（）体辐射率（）是激发态（）的产生与损失之比，并按其持续时间加权可表示为（），（）式中（）代表（）激发态密度，是（）辐射寿命，尽管有大量的大气研究，但对（）辐射寿命（）的估计仍有很大的不确定性，本文使用了 等（）推荐的 表示从激发态（）辐射跃迁到所有较低的状态的单位时间单位体积内释放的光子数，即 综合考虑上述所有关键光化学反应过程，根据产生和湮灭机理，在日间时处于（）激发态的粒子数浓度的连续性方程可以表示为（，）（）（）（），（）式中为（）与 碰撞失活反应速率常数：（）通过与 碰撞失活，气体对激发的氧分子的碰撞失活反应的速率常数（）是众 多 研 究 的 主 题，该 反 应 的 速 率 常 数 非 常 小 等（）进行了最精确的实验室测量，并获得了反应速率（）的上下限（）；（）提出 ，以使其光化学模型与 和地球测得的（）气辉相吻合；等（）基于大量的实验室测量，提出反应速率上