月球重力场对月球内部结构研究的作用

月球是人类深空探测的首要目标,而月球的内部结构则是我们了解月球与地月系形成与演化的重要窗口.相比于其他物理场,月球重力场模型具有全球均匀覆盖、精度和分辨率持续提高的特点,在月球内部结构研究中扮演着重要作用.本文对月球重力场在月球内部结构研究中发挥的作用进行了论述,包括月壳、月幔以及月核,其中重点介绍了高阶次重力场模型对...     

月球的全球构造格架初探

长期以来,最初依据月表反照率建立的月陆、月海二分法一直主导着人们对于月球构造格架的基本认识,然而自20世纪末以来的各种月球探测数据均表明,南极艾肯盆地作为月球上最大的撞击盆地不仅占据了月表很大的面积,而且有不同于月陆和月海的性质及演化过程.本文通过综合研究月球典型的地球物理、地球化学以及地形特征,初步确定了月球的全球构造格架是一个既有横向表面延伸又有纵向深部延伸的三元结构,包含三个月球大地构造单元,分别是主要覆盖正面风暴洋及周围月海盆地区域的月海构造域、主要覆盖背面高地的月陆构造域以及位于南极艾肯盆地的南极艾肯盆地构造域.     

对月球重力场特征的理解

依据克莱门汀号和月球勘探者号月球探测器所获得的数据所建立最新的地球重力模型和地形模型，为人类深入了解月球内部性质及其演化特征，提供新的平台.M.T. Zuber (1994) 和 M. A. Wieczorek (1998) 所建立的月壳全球模型，为利用最新月球着力资料研究月球内部构造和演化，揭示月球上独特的“物质瘤”之成因等科学问题，开凿了先河.本文通过对现有的月球重力和地形数进行分析和计算，提出作者对月球内部物质分布特征的理解和一些认识.从宏观角度看，月球布格重力异常与月球地形起伏是相关的，统计结果表明它们呈弱负相关，从均衡角度来说，在月球停止大规模内部物质运动之前，月球壳幔可能已基本达到均衡；从Mascon深度估算结果来看，一些大型的Mascon基本属于玄武岩浆“充填”型的，少数Mascon可能与月幔柱有关，如东方海Mascon.     

月球重力异常的小波多尺度分析

本文将小波多尺度分析引入月球重力场的研究,选取测量数据质量较好的月球近区作为实验区域,以“Clementine”探测器获得的自由空气重力异常作为原始数据对主要月海盆地进行了局部的重力异常分解,解释了月球内部基本分层结构,并利用主要月海盆地的实验结果分析了月海下部质量异常以及莫霍面的起伏形态,与已有研究成果进行比较证明了方法的适用性及结果的合理性.     

基于GRAIL重力数据的月球深部断裂识别和空间分布研究

月球深部断裂是研究月球早期应力场演化和动力机制的一类重要构造.本文基于GRAIL月球重力数据计算了全月布格重力梯度，在此基础上对月球深部断裂进行了全球绘制，共识别月球深部断裂226条.计算了断裂的长度和走向等基本参数，断裂总长度达到37137 km，平均长度为164 km.统计月球深部断裂在不同范围内的分布情况，发现多数断裂分布在月球的中低纬度地区，且北半球的断裂多于南半球.此外，大型月海集中区所在的纬向带断裂分布最多，断裂经向分布最多的区域为风暴洋的西侧.从全球尺度和不同经纬度带绘制断裂走向玫瑰花图，总体上月球全球尺度上的深部断裂表现出NE-SW和NW-SE的优势走向，不同经度带断裂的优势走向变化不明显，但在纬度带上有显著的变化.南北半球的中纬度带和高纬度带具有相同的优势走向，分别为NE-SW和NW-SE、E-W，在低纬度带的优势走向有所差异，分别是南半球的NE-SW和NW-SE以及北半球的N-S.     

月球内部构造研究综述

回顾了月震观测的历史，归纳出月震的特点，并将月震分成热震、浅震和深震三种类型加以.分析总结出一个比较完整的月球内部构造模型.在此基础上，详细介绍了如何根据月震观测资料确定月壳和月幔.本文还对月核存在的可能性加以阐述，指出由于月球1100 km以下数据的缺乏，到目前为止没有确切的证明月核存在的证据.最后，紧密关注月球构造研究的最新进展，给出了月核可能存在的形式：半径为352 km（成分为纯Fe）或者374 km（成分为Fe-FeS晶体）.     

利用重力多尺度分析方法反演月球雨海地区三维月壳与上月幔结构

雨海盆地是月球正面最大的撞击盆地之一,确定其月壳与上月幔精细三维结构,对研究月球“质量瘤”形成机制等科学问题具有重要意义.常用于反演月壳与上月幔结构的月震波方法受限于月震台站稀少,给出三维结果的空间分辨率不足.随着重力测量技术的发展,月球重力数据横向分辨率逐步提高,但存在垂向分辨率不足问题.鉴于此,本文采用重力多尺度分析方法来进行改善,以获取研究区域月壳与上月幔精细三维密度结构与壳幔界面深度.研究结果表明：雨海盆地内部存在一个顶部小、底部大的高密度物质体,其底部中心位置约为经度16°W,纬度42°N;雨海盆地壳幔界面存在明显上隆,且盆地内部上隆趋势不平滑,发现有类环状异变现象;雨海“质量瘤”可能是由内部高密度物质和壳幔上隆共同推动形成的;重力多尺度分析方法可以有效提升重力数据的垂向识别能力,获取更为精细的三维月壳与上月幔结构.     

基于月球动力学演化的地质年代划分

月球地质年代表将月球的地层按形成的时间顺序划分为不同的时代,能够清晰地表达月球的整体演化历史.在地基望远镜观测和阿波罗时代早期,由于当时所用数据的空间覆盖度和分辨率有限,所建立的月球地质年代划分存在部分缺陷.在阿波罗时代结束以来的几十年里,人类对月球进行了更广泛的研究,拓展了对全月地质演化的认识和理解.基于对月球动力学演化的综合性分析,本文对当前的月球地质年代表进行了更新,特别考虑了内动力地质作用和外动力地质作用在月球早期演化中所发挥的作用.首先,根据内动力和外动力在不同时期对月球改造的效应,提出了三阶段月球动力学演化模型,并建立了三个相应的“宙/宇”级别的年代及地层单元.其次,为了更清晰地反映月球的演化历史,以南极-艾肯(SPA)盆地的形成为界线将前酒海纪划分为了岩浆洋纪和艾肯纪,其中较年轻的艾肯纪是以SPA盆地的形成为起点.本文识别了SPA盆地的溅射物地层,即达斯建造,其沉积在月球的原始月壳上,是岩浆洋结束后保存下来的最古老的外动力成因地层.更新的月球地质年代表系统综合了阿波罗时期以来月球探测和研究的成果,构建了一个描述月球演化历史的系统框架,能够更方便地开展月球地质研究,对其他类...     

火星和月球热历史的参量化模型研究

通过类地行星热历史的比较研究,可以更全面地了解它们的热演化过程．火星和月球不具有板块构造,研究它们的热演化过程时,考虑了岩石层逐渐加厚对行星内部对流的影响,同时也考虑了由对流传热转变为传导传热对它们热历史的影响．参量化模型计算结果表明：火星和月球岩石层随温度的逐渐降低目前大约分别增厚到320km和250km左右;并且,火星幔和月幔分别于1．6Ga前和3Ga前停止热对流,这与天文和空间探测资料一致．     

月球表层及月壳物质密度分布特征

月球表层与月壳岩石密度的横向与径向的变化,反映了月表及内部成分以及月球演化等特征.本文利用月球勘探者号伽马射线谱仪探测的月表Fe, Th与Mg元素分布数据,依据前人给出的元素含量与岩石类型的关系,对月球表层进行了岩性填图,并结合岩石样品与陨石的密度测试数据建立初始密度模型,采用铁元素与岩石密度的关系对其进行修正,从而建立了月表物质密度分布模型.基于嫦娥一号激光测高数据和日本SELENE计划发布的月球重力模型,计算出月球布格重力异常,进而反演得到月壳0~40 km深度范围内岩石平均密度分布模型.分析表明,大部分区域上,月壳至少月壳上部岩石成分主要以轻质的富含铝、钙、镁质的硅酸盐类岩石为主.由此推测,原始月壳极有可能是由轻质的、富含钙、镁质硅酸盐类岩石构成的全球性月壳.现今的玄武岩与克里普岩只是覆盖于原始的月壳之上的岩层,且厚度不大.     

月球探测中若干问题的研究及进展

本文主要介绍了在第二次探月高潮中对于月球重力场、月球天平动、月球耗散效应等月球物理特性的研究成果,以及建立月球参考框架以及布设月面控制网等月球大地测量方面的方法和进展,并探讨了月球探测过程中应用到的相关技术,最后,对月球探测的进一步发展做出展望.     

空间跟踪技术的发展对月球重力场模型的改进

本文基于绕月卫星跟踪技术的三种模式,即地面跟踪模式、高低跟踪模式和低低跟踪模式,将月球重力场的发展历程分为四个阶段.分别介绍了各阶段跟踪模式的主要原理、技术特点以及所获取的具有代表性的重力场模型,并对这些模型的精度特征进行了评述.进而,通过分析不同阶段重力场模型所获取的月球重力异常特征和精度、不同阶段重力场模型的定轨精度,阐明了:空间跟踪技术的进步,极大地提高了月球重力场模型的精度,并且,有效地促进了对月球物质结构特征的认识和绕月卫星定轨的可靠性.最后对月球重力场模型中尚存在的问题以及探测技术的发展前景进行了分析和展望.     

基于大倾角卫星轨道跟踪数据的月球重力场模型仿真解算

本文针对已有月球探测任务主要为极轨的特点,仿真分析了大倾角轨道卫星跟踪数据在月球重力场解算中的贡献.文中针对极轨道、77°倾角和极轨道结合77°倾角轨道三种情况各三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型仿真解算,通过重力场功率谱、基于解算模型位系数协方差矩阵的重力异常及月球大地水准面误差以及精密定轨等手段对解算模型进行...     

Linear and weakly nonlinear internal wave theories applied to “morning glory” waves

Abstract

Detailed comparisons are made between the predictions of Benjamin's weakly nonlinear theory for internal solitary waves in fluids of great depth, with observational data on solitary wave-type disturbances in the lower atmosphere associated with the “morning glory” phenomenon.

It is shown that, while the theory is not wholly unreasonable, neither is it completely satisfactory. In particular, although the calculated wave speeds are generally close to those observed, they are no improvement on those based on linear long wave theory; at the same time the predicted wave half-widths are too large by a factor of two to three. The limitations of the theory appear to be associated with the requirement that wave half-widths are much less than the total fluid depth, a condition not satisfied in the atmospheric case. However, the alternative theory for shallow fluids, based on the Korteweg-de Vries equation is found to be even more unsuitable.

Our analyses highlight some of the problems in comparing theory with observations and bring to the fore some of the present limitations of the data for such purposes.     

磁暴月相二倍法的计算发震日期与全球MS ≥ 7.5大地震的对应关系

应用磁暴月相二倍法对1998年5月～2001年1月期间全球发生的MS≥7.5大地震进行研究.在16次大地震中发生于磁暴月相二倍法得出的计算发震日期(±5天)有13次;在15次计算发震日期中有11次对应MS≥7.5大地震,2次对应7.0≤MS≤7.4地震.研究表明K指数大的起倍磁暴日与MS≥7.8特大地震的发生有较好的相关性,发生在月相的磁暴与MS≥7.5大地震相关关系较好.     

基于神经网络方法获得最优化月球内部结构模型

由于观测手段有限,目前对月球内部结构的认识还存在很大的不确定性,至今仍没有一个被广泛认可的内部结构模型,且现有对月球内部结构模型的研究几乎很少关注观测值对观测精度的影响.本研究采用混合密度神经网络方法得到了月球内部结构模型的后验概率密度分布,获得了平均月球内部结构模型(Mean模型)、最大后验概率对应的月球内部结构模型...     

月表有效太阳辐照度实时模型

月表太阳辐射是深入研究月表温度分布的关键问题之一. 本文根据月表有效太阳辐照度与太阳常数、太阳辐射入射角以及日月距离之间的关系,建立月表有效太阳辐照度的实时模型. 该模型在1950～2050年的100年内的理论误差百分比小于0.28％, 相对前人提出的模型在精度上有了很大程度的提高,能较为真实地反映月表有效太阳辐照度随时间的变化规律. 计算结果表明2007年月表太阳辐照度的年变化范围在1321.5～1416.6 W·m^-2之间,平均为1368.0 W·m^-2. 通过对月表太阳辐射入射角计算结果的分析,证实了月球的两极可能存在极昼极夜.     

基于绕月单卫星和双星测量的月球重力场恢复仿真分析

月球重力场是月球科学研究的重要部分，是进一步了解月球内部结构和构造的基础，也是我国探月计划“嫦娥工程”一个重要的科学研究内容.本文针对“嫦娥工程”，利用GSFC/NASA/USA的GEODYNII/SOLVE轨道分析软件，分析计算了利用单星跟踪数据恢复月球重力场的能力，同时模拟计算了双星跟踪数据在恢复月球重力场方面的能力，结合可能的工程环境我们对两种情况分别给出了30天、60天和90天的计算结果.计算表明双星相比于单星对月球重力场的中低阶位系数有比较显著的改善.     

利用重力地形导纳估计月壳厚度

在频域使用多窗口(Multitaper)方法来计算月球正面四个形成于不同历史时期月海区(Smythii, Crisium, Imbrium, Orientale)的重力地形导纳,然后将其与月球弹性岩石圈的理论导纳模型相比较,由最小二乘法得出四个月海区的月球岩石圈的平均弹性厚度约为8 km,月壳的厚度分别为：Smythii 盆地,72 km; Crisium 盆地 70 km;Orientale 盆地 60 km;Imbrium 盆地57 km.随着月球的演化,月壳厚度呈现变厚的趋势.