“嫦娥一号”对环形山起伏非均匀月表层微波辐射观测的理论建模分析

中国“嫦娥一号”探月卫星在世界上首次采用多通道微波辐射计垂直测量月球表面的微波热辐射, 以期由多通道微波辐射亮度温度了解整个月球表面的微波辐射特征, 进而反演月壤层厚度, 估算月壤层富含的氦3含量. 在该科学目标和技术条件下, 讨论了月球表面微波辐射理论建模中月表粗糙面、温度廓线介质辐射、密集粒子散射等物理要素的影响. 按照月表面环形山数目与形态的统计特征, 数值构造环形山随机分布的月表面地形. 由规则三角形网格对“嫦娥一号”微波辐射计空间分辨率量级的月表面地形数值剖分, 来计算随机起伏粗糙月表面微波平均反射率与发射率. 数值结果表明在“嫦娥一号”微波辐射计空间分辨率的条件下, 环形山月表面可视为平表面建模. 由具有相干势的准晶体近似讨论了月壤层密集颗粒的散射与吸收特性, 及其月壤层有效介电常数的计算. 用分层辐射传输方程推导具有非均匀温度廓线分布的月尘、月壤、月岩层微波辐射亮度温度, 分析了各个物理参数对辐射亮度温度的影响. 从而分析了“嫦娥一号”对月表面微波辐射观测的三层结构理论建模与参数选取.     

嫦娥一号的初步科学成果

嫦娥一号卫星是中国发射的第一个月球轨道探测器,是中国月球探测工程“绕”、“落”、“回”发展战略的第一步。嫦娥一号卫星于２００７年１０月２４日在西昌卫星发射中心成功发射,２００９年３月１日受控落月于东经５２．３６度、南纬１．５０度的丰富海区域,在轨运行４９５天,比预期一年的工作寿命延长４个多月,一共取得了１．３７TB的原始科学探测数据。通过对这些科学探测数据的初步分析和应用研究,已经获得了包括“中国首次月球探测工程全月球影像图”等在内的一系列科学成果,为推动中国月球科学和天体化学的研究和后续月球探测工程的开展奠定了重要基础。     

绕月探测工程科学探测成果

嫦娥一号是我国发射的第一个月球轨道探测器, 是中国月球探测工程“绕”、“落”、“回”发展战略的第一步. 嫦娥一号于2007年10月24日成功发射, 2009年3月1日受控撞月, 在轨运行494天, 其中环月飞行480天, 共获得了1.37 TB的原始数据, 并得到了大量月球数据产品, 填补了我国在月球和深空探测领域的空白. 那么, 嫦娥一号任务的圆满完成, 使我们获得了哪些重大科研成果和哪些具有自主知识产权的核心技术呢? ..............     

嫦娥一号卫星受控撞月轨迹测量与落月点坐标分析

利用2009年3月1日嫦娥一号(CE-1)卫星受控撞月段的射电测距与VLBI跟踪时延, 在定位模式下对落月轨迹和落月点坐标进行了解析. 结果表明, CE-1卫星的落月时刻(最后信号的发出时刻)为UTC8h13m6.51s, 落月点在月球主轴系中的月面经纬度和高度分别为52.2732°E, 1.6440°N, ?3.56 km(月球参考半径取为1738 km), 误差分别为0.0040°, 0.0168°, 0.18 km. 对应的月面切向误差为0.52 km, 三维定位误差为0.55 km. 由定位误差推断, 即使维持当前技术指标, 联合射电测距与VLBI观测时延, 能够保障对我国探月二期的着陆器1 km的三维定位精度. 对于巡视器月面轨迹测定, 由于仅发送遥测信号, VLBI将是其唯一的地面跟踪手段. 分析表明, 采用地心距约束等先验信息有利于提高定位精度. 研究同波束VLBI技术在巡视器定位中的应用, 以及分析月面地形图和探测器机载测量等的应用, 值得今后重点关注.     

“嫦娥一号”微波辐射计观测月球虹湾地区表面物理温度昼夜时间分布

由中国“嫦娥一号”(CE-1)微波辐射计对月球虹湾地区观测时刻相对应的太阳入射角与方位角, 由极点球面坐标系与月球观测点局部坐标系的转换关系, 得到CE-1 对月球虹湾区域(Bay of Rainbow, 拉丁文Sinus Iridum)观测的当地时间. 采用CE-1 微波辐射计观测数据, 得到月球虹湾地区当地不同时间的辐射亮度温度(T_b)变化分布. 由月表三层模型的热辐射传输理论, 结合CE-1 微波辐射计19 与37 GHz 通道的T_b 数据, 反演得到月球昼夜不同时段虹湾地区表面月尘层与月壤层的物理温度变化, 分析了影响虹湾地区月表面物理温度的主要因素.     

“嫦娥一号”多通道微波辐射计测量估算全月球月壤层氦3含量

由太阳风注入月球表面月壤层的氦3(³He)是一种可供核聚变燃料使用的最有价值的月球资源之一. 以Apollo月壤样品为基础, 提出月表面³He含量与月表面归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO₂含量之间成线性关系. 中国2007年10月24日首次成功发射的“嫦娥一号”(CE-1)探月卫星在世界上首次载有多通道微波辐射计, 用于测量月表面微波辐射亮度温度(brightness temperature, Tb). 本文根据CE-1观测的多通道Tb数据反演的全月球月壤层厚度, 估算全月球月壤层³He总含量约为6.6×10⁸ kg, 其中月球正面3.7×10⁸ kg, 月球背面2.9×10⁸ kg.     

山地冰川表面分布式能量-物质平衡模型及其应用

基于“七一”冰川物质平衡、水文气象观测资料, 结合DEM数据, 初步建立了一套时间分辨率达1 h、空间分辨率为15 m的冰川表面分布式能量-物质平衡模型. 模型考虑地形对太阳辐射的遮蔽效应, 引入新的冰川反照率参数化方案, 并发现分布式能量-物质平衡模型对气温垂直递减率、降水梯度、降水固/液态划分指标等参数较敏感. 利用该模型对2007年6月30日20:00~10月10日12:00时段“七一”冰川粒雪线高度变化、物质平衡演变、融水径流状况及其对气候变化的响应等过程进行了模拟研究. 结果表明, 冰川物质平衡高度结构主要受反照率高度结构的影响, 反照率大小直接影响冰川物质平衡水平. 气候敏感性试验表明, 物质平衡对气温变化非常敏感, 它对气温变化的响应呈非线性特征; 而物质平衡对降水量变化敏感性相对较弱, 对降水量变化的响应是线性的. 增温引起的冰川物质亏损量不能靠降低相同气温来得到弥补, 物质平衡变化对气候变暖具有不可逆效应. 气温升高1℃, 即使降水量增加20%, “七一”冰川也会呈现较大的物质亏损状态.     

末次冰期低纬度西太平洋硅藻席沉积

硅藻贡献了海洋40%的初级生产力, 在海洋生物地球化学循环中发挥重要作用, 是全球碳固定的主要贡献者之一. 大洋硅藻席沉积是硅藻大规模“勃发”的产物, 通过对东菲律宾海136°~140°E, 15°~21°N区域内藻席的分析鉴定发现, 出现于这一低纬西太平洋的硅藻席的成席藻类为Ethmodiscus rex (Wallich) Hendey; 同时, 大量的AMS14C测年数据显示这些富含硅藻席的沉积物形成于16000 ~ 28600 a BP (¹⁴C年龄)期间, 即硅藻“勃发”发生于末次冰期, 而其他层位并未发现藻席沉积. 初步分析表明, 末次冰期由于南极中层水(AAIW)北扩, 将富含硅酸盐的海水带入了研究区, 即南大洋的“硅溢漏”作用, 使该区域硅藻得以勃发; 同时, 末次冰期铁输入的增加, 也可能促进了该区硅藻的勃发.     

东海海底观测小衢山试验站

海底观测系统是海洋科学从“考察”转向“观测”的重要设施. 最近在杭州湾口外的东海内陆架(30°31′44″N, 122°15′12″E~30°31′34″N, 122°14′40″E)建成东海海底联网观测小衢山试验站. 该试验站包括双层铠装海底光电复合缆, 联接具有不同型号的水密接插头、实现能源自动供给和通信传输的基站特种接驳盒, 并在基站防拖网与仪器安装架上安装3 种海洋观测仪器; 光电复合缆通过海洋平台登陆, 由台上的太阳能蓄电池实施不间断的能源供应; 现场海洋观测数据通过光电复合缆传输到平台后经CDMA 无线网络实时发送到实验室服务器上.试验系统已于2009 年4 月开始正常运行, 在本文中将例举部分数据在近底边界层动力过程和海平面高度异常研究方面的初步应用, 分析了底应力在不同时间尺度上的变化规律以及2010年智利大地震引发的海啸对东海近岸的影响. 试验站的建成是我国海底观测网建设迈出的第一步, 不仅积累了经验, 而且一年多来的连续观测资料表明海底观测具有重要的科学价值.     

“接触引导”和重力场复合作用对L929细胞生长取向的影响

“接触引导”与外力场作用是影响细胞取向行为的两大因素. 本文通过软刻蚀技术在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)表面制作微米级沟槽图案, 研究了当重力场方向平行于材料表面且分别垂直或平行于沟槽方向时, 图案与重力的复合作用对L929细胞取向行为的影响. 研究表明, 当重力场方向和沟槽方向平行时, 由于“接触引导”效应, 大部分细胞(约90%)仍然沿沟槽(细胞轴向与沟槽夹角在0°~30°区间内)生长; 而当重力场垂直于沟槽方向时, 沿沟槽生长的细胞虽仍然占多数(约70%), 但比例显著下降. 该研究表明, 与重力因素相比, 虽然由沟槽图案所引起的“接触引导”效应对细胞的生长取向起主导作用, 但是当重力场与沟槽方向垂直时, 重力作用显著降低了“接触引导”的程度; 而当两种因素方向相一致时, 两者对“接触引导”的发生无明显的协同促进作用.     

过去千年3 个特征期气候的FGOALS 耦合模式模拟

利用一个气候系统模式, 对过去千年气候演变的3 个特征期——中世纪暖期、小冰期和20 世纪增暖期, 进行了系列平衡态模拟和瞬变强迫模拟试验, 比较了3 个特征期气候的异同点.结果表明: 中世纪暖期的暖信号在除北太平洋中纬度以外的全球大部分地区普遍存在, 但自然增暖的幅度整体上较20 世纪要弱; 北半球中高纬地区的增温幅度大于南半球. 小冰期变冷近乎是全球性的, 在欧亚大陆及高纬地区尤为显著, 变冷极大值位于北极地区的表层. 中世纪暖期和 20 世纪温度变化的垂直结构表现出类似特征, 最强增温都出现在热带对流层中上层的200~300 hPa. 与暖期不同, 小冰期的变冷主要表现为极地强化. 模拟结果与重建资料的比较表明, 模式对暖期温度变化的模拟能力强于冷期, 对中低纬地区温度变化的模拟能力强于高纬地区. 东亚夏季风的年际变率特征受背景气候态的影响不大, 不同特征期年际变率的降水距平型近乎相同, 但是主导周期变化显著, 东亚夏季风的准两年振荡现象在暖期更容易出现, 在冷期则不明显. 在百年尺度上, 有效太阳辐射外强迫变化驱动的季风变化外部模态由大尺度海陆热力对比的变化决定, 在110°E 以东降水呈现出“南北同号”的特征, 这与伴随耦合系统内部变率出现的“南北反号”的降水距平型不同.     

铁岭组钾质斑脱岩锆石SHRIMP U-Pb年代学研究及其地质意义

最近在冀北-辽西以碳酸盐岩为主的铁岭组内发现了钾质斑脱岩, 并获得其锆石SHRIMP U-Pb年龄——(1437±21) Ma, 这一进展将铁岭组的时代确定为中元古代早期盖层纪(Calymmian Period)末期. 与此同时, 还在同一剖面获得了铁岭组的上覆地层——下马岭组碳硅质页岩里钾质斑脱岩锆石SHRIMP U-Pb年龄——(1372±18) Ma, 这与稍早前在北京西北及其附近地区所获得的定年结果(~1380 Ma)是一致的. 这在肯定了该地区下马岭组应归入中元古代中期延展纪(Ectasian Period)早期的同时, 也表明以蓟县剖面为代表的燕山东部地区铁岭组-下马岭组等相关序列, 可与北京西山及燕山西部进行良好对比. 换言之, 华北北部从高于庄组到铁岭组的巨厚碳酸盐岩序列都应视为中元古界盖层系沉积, 而铁岭组与下马岭组之间的不整合面可作为中元古界盖层系与延展系之间的物理性分界标志; 早先以该不整合面命名的“芹峪上升”(或“芹峪运动”)应属于一个时限短暂的中元古代早期的区域抬升, 不能再视为华北克拉通对新元古代罗迪尼亚超大陆聚合事件(~1.0 Ga)的响应.     

应用面向对象分类方法对月球撞击坑进行自动识别

面向对象方法是一种强大的分类方法, 它首先将影像分割成许多对象, 从而可以计算这些对象的许多特征值并实现对事物的识别. 然而, 这种方法目前还没有应用到月球科学研究中, 在这篇文章中尝试性的应用这种方法对月球表面的撞击坑进行了自动识别, 并得到了一些初步结果. 撞击坑是月球表面最主要的特征, 它对月球地质学研究有重要意义. 在月球科学研究中, 一个重要的问题是应用撞击坑的分布密度估计月表地质年龄, 因而对撞击坑进行正确的识别是必要的. 然而对撞击坑进行手动识别是很低效的, 这就促使寻找一种高效的自动识别方法. 描述了面向对象分类方法在月表反射率影像上对撞击坑进行自动识别. 在这种方法中, 根据大小、形状、色调以及各层权重首先把影像分割成许多对象, 并用特征值“相邻对象的对比”从月球影像上鉴别撞击坑, 然后把属于同一类的相邻对象进行合并; 除了几个大型撞击坑外, 每个撞击坑都已经成了独立的对象. 为了剔除撞击坑类中的辐射线, 特征值“长宽比”被进一步用来识别撞击坑. 最终的结果输出到ArcGIS中对大型撞击坑进行了人工修正, 并经统计得到了月表撞击坑的个数.     

铁基超导材料制备研究进展

超导现象于1911年首次被发现, 此后科学家们一直都在寻找拥有更高临界温度的超导材料, 研究重点也逐渐从金属系物质转到铜氧化物. 目前, 物理学界对高温超导机制仍未形成一致看法, 研究人员希望在铜氧化物超导材料以外再找到新的高温超导材料, 以期从新的途径来破译高温超导机理. 2008年初, 日本学者发现了临界温度可以达到26 K的新型超导材料—— LaO_1-xF_xFeAs, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 随后, 科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究. 中国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置. 铁基超导材料的研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 本文按照体系分类, 以时间顺序, 分别对铁基超导材料的四大主要研究体系(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)的具体材料制备研究进展进行了分析, 比较全面地介绍了各种铁基超导材料的合成方法及其关键物理参数.     

半干旱区不同下垫面地表反照率变化特征

分析了通榆半干旱区退化草地和农田下垫面2003~2005三年来地表反照率的日、季和年变化特征, 并讨论了地表反照率与太阳高度角及土壤湿度的关系. 发现退化草地和农田下垫面的地表反照率具有相似的日变化和季节变化, 冬季较大, 夏季较小; 地表反照率的日变化随天气条件的不同而不同, 晴天日变化曲线形如“U”形, 雨后晴天地表反照率的日变化是先低后高, 雪后晴天是先高后低, 多云天日变化波动较大, 阴天几乎没有日变化. 两下垫面地表反照率的差异在冬季主要受降雪影响, 最大为0.04; 在夏季受降雨的影响较大, 但地表反照率差异不大, 只有0.01; 秋季由于下垫面植被的差异, 地表反照率差异最大可达0.04. 对于三年平均地表反照率, 退化草地在春、夏、秋和冬季分别为0.25, 0.22, 0.24和0.32, 农田春、夏、秋、冬季分别为0.25, 0.21, 0.22和0.33. 地表反照率随着太阳高度角增大而减小; 当太阳高度角大于40°时, 地表反照率基本上趋于不变. 在生长季地表反照率与表层土壤湿度存在负指数关系.     

罗布泊新发现古城与5个考古遗址的年代学初步研究

近百年来, 在楼兰考古和古丝绸之路的考察研究过程中, 楼兰-鄯善国都城何在? 一直是国内外考古、历史、地理等诸多学科关注的热点. 通过对罗布泊小河墓地西北约6.3 km处新发现的古城遗址以及楼兰(LA)、方城(LE)、且尔乞都克古城、米兰古戍堡、土垠等遗址18个建筑物等样品的14C年龄分析, 结果表明: 小河墓地西北新发现的古城城墙年代大约在公元440~500 年左右, 形成于北魏时期(公元386~534年), 相对楼兰(LA)佛塔(约公元100~230年)、方城(LE)城墙 (约公元230~300年)、且尔乞都克城墙(约公元200年)、土垠(约公元100年)建筑时间年轻约100~300年. 米兰遗址古戍堡内房柱年龄约公元370 年, 古戍堡西门北侧墙基年龄最为年轻(约公元770年), 属于唐朝时期. 小河墓地西北新发现的古城遗址, 根据墙体年代和初步发现的文物类型以及地理位置, 有可能是文献中记载的“注宾城”, 可暂定名为“注宾河古城遗址”, 该古城遗址的隶属、职能, 还有待详细的考古发掘工作. 由于该遗址临近丝绸之路古驿站阿拉干, 处于丝绸之路东西和南北交通要道的十字路口上, 因此无论该遗址是否是“注宾城”、或“埒娄城”、或楼兰国都“扜泥城”, 它在丝绸之路上的重要位置都是毋庸置疑的. 通过对不同古城遗址的年代学分析, 为深入研究罗布泊地区古代遗址的时间-空间分布、西域文化的演化过程、人类活动与环境变化关系等提供了新证据.     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR), 将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场, 对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验. 由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面, 且高耸于对流层中部, 故分布于高原大地形“坡面”不同高度的自动站网观测要素, 将与无线电探空探测获取的大气“廓线”信息存在着某种程度的关联性, 其不仅在观测点高度、梯度特征, 而且在观测时间频数、“定点”、“定高”及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势. 高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性“强信号”, 并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整, 从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力. 研究表明, 青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

中国商南发现4000多年前的“小巨人”

2006年3~6月, 考古人员在对陕西省商南县过风楼遗址(33°26′01″N, 110°47′39″E)发掘时发现了一处属于龙山时代晚期(距今约4400~4000年)的房址、窖穴等遗迹, 同时出土了大量的各类生产工具和日用陶器等遗物. 在一个龙山时代晚期窖穴中所出土的完整人骨遗骸显得粗壮, 据现场测量, 该人骨的身高(自足底至颅顶)为193 cm, 可排除因埋藏而导致骨骼变形等因素. “小巨人”被安葬在龙山时代聚落附近一个不规则形的窖穴中, 出土时头向东北俯身而葬, 既无葬具也无任何随葬物品(图1). 在“小巨人”遗骸附近发掘出龙山时期的三足鼎、双耳罐、和鬶等日用陶器, 根据发掘出的器物说明“小巨人”应当属于距今4000多年以前的龙山文化时期. 同时, 把“小巨人”部分骨骼样本[1]在西安加速器质谱中心进行了14C测年[2], 实验室编号为XA4248, 测年结果为4340~4200 a BP(经树轮校正), 属龙山时代晚期遗存......     

神秘的金星

金星是地球的近邻“姐妹行星”,它们的大小和质量相当。早先曾推想金星有类似于地球的生机环境,甚至存在生物。但近半个世纪的探测表明,金星是跟地球差异甚多的神秘奇特世界。例如,金星与地球的自转方向相反(逆向自转),且特缓慢,金星的一昼夜相当于116.75(地球)日,不到两昼夜就度过一金星年--“度日（昼夜）如年”;它被浓密的大气和云层笼罩,难见表面的“庐山真面貌”,表面气压达93 bar(1 bar=100 kPa),强烈的温室效应使表面气温达467 ℃,酷热而干燥的环境显然不会存在生物;60%表面高程差不超过500 m,仅5%表面高出2 km;跟有古老而严重陨击的月球和水星不同,金星整个表面似乎都是地质上年轻的,陨击坑少,而火山地貌占主导,平均年龄可能不超过5亿年,几乎90%的表面是固结的玄武岩浆,到处有熔岩流和各种火山,断裂和断层交割景观,但没有地球那样的板块构造特征,也没有海洋和河流。金星的很多秘密还需要进一步探测研究。     

嫦娥二号的初步成果

嫦娥二号承担着试验直接奔月的新轨道,试验验证月面软着陆相关的关键技术的使命。嫦娥二号绘制了全月球7 m 分辨率的影像图和嫦娥三号着陆区虹湾分辨率为1 m 的高清图像,圆满完成各项科学探测任务。嫦娥二号在日地拉格朗日L2 点监测太阳活动,在距离地球700 万km处与4179 “战神”号小行星最近距离小于1 km的交会探测,拍摄到分辨率10 m的小行星形状、大小与表面结构的高清图像。当前嫦娥二号已经远离地球6 500 万km,成为绕太阳运行的人造小天体。