月面环境与月壤特性研究的主要问题探讨

月面环境与月壤特性是月球探测和月球科学研究的重要基础,对它们的研究一直在不断加深,本文对月球表面地形地貌、热环境以及月壤特性三个方面的研究现状进行了总结,初步分析了这三个方面研究目前存在的一些主要问题：（1）地形地貌对月球定量遥感的影响以及南极艾特肯（SPA）盆地等地貌单元的年代学划分和成因演化;（2）月面热辐射、月表物理温度和热流等月面热环境特征的进一步探测和全面分析,以及其对地球反照率变化的响应;（3）月壤形成演化过程及空间风化作用,月球极区氢富集机制和水冰探测,以及月球资源开发利用。     

月面环境过程研究评述

月球在停止强烈地质活动后,持续了30多亿年的月面环境过程,虽破坏了月球早期岩浆洋演化和撞击事件的原始信息,但也很好地将这一过程信息刻录到了月表物质和月面环境现象中。一方面,长期的太空风化过程形成了月壤颗粒特有的表层微观结构、np Fe0、Fe-Si化合物及矿物水等;另一方面,这些特性又是影响月球表面热环境及尘埃环境的重要因素。在当前月球探测快速推进的形势下,工程实施迫切需要更系统地认识月面环境过程,而我国嫦娥五号任务将实现月球采样返回,也将是开展月面环境过程研究的重要契机。为此,本文总结了月面环境过程研究的现状,分析了存在的主要问题和未来研究的方向。     

月球表面温度物理模型研究现状

-总结了前人对月球表面温度的研究方法,对他们的研究进行了归类,分析了它们各自的优劣。直接测量和基于绕月飞行器的遥感测量均需投入昂贵的发射和维护费用,基于探测数据或月球样品分析数据的研究局限于某些时间段和地点,地基遥感探测的空间分辨率太低,这些方法自身的局限限制它们不可能用于全月的温度变化研究,只有通过建立比较完善的月球表面温度物理模型才可能达到这一目的。重点对月球表面温度物理模型进行讨论,分析了已有的模型,总结了影响月球表面温度的影响因素,包括月球表面太阳辐射、月球内部热流、月球表面物质的热吸收率、发射率、热导率、热容以及密度等,对这些因素的研究现状进行了概括,并提出了进一步研究这些参数的一些想法。     

月球地形地貌对各种月面探测技术的影响

月球的地形地貌一直以来都是备受关注的重要内容,它对光学成像、热红外、微波辐射等遥感探测以及月面探测活动具有重要的影响。与地球不同,月球上没有大气、海洋,也未发现生命迹象,对月球的探测直接面对着高低起伏变化的月球表面。而且,特殊的地形地貌,在矿物组成、含量方面也表现出显著的差异。本文介绍了光学成像、热红外遥感以及微波辐射遥感等月面探测技术的原理,通过分析其主要影响机理,认为月球地形地貌对各种月面探测技术的影响主要体现在不同地貌的岩石类型和组成差异影响、地形起伏和热环境差异影响以及崎岖月面安全威胁三个方面,这也是今后研究的重要发展方向。     

月球探测的进展与中国的月球探测

介绍了月球探测历程、第一次探月高潮中在月球的形状、大小、轨道参数、近月空间环境、月表结构与特征、月球的岩石类型与化学组成、月球的资源与能源、月球的内部结构与演化历史等方面所取得的成果。提出了中国开展月球探测的初步设想,认为近期中国的月球探测应以不载人月球探测为宗旨,分为“绕、落、回”三个发展阶段,即环月探测、月面软着陆器探测与月球车月面巡视勘察、月面软着陆与采样返回。     

低温低压条件下辉石粉末的热导率实验分析:对月球及火星表面热环境研究的指示

在真空条件下矿物粉末热导率的实验测量,可为我们研究月球及行星表面的热属性和热演化,解译热红外和微波探测数据,开展月球及行星探测载荷设计提供重要的数据参数。本研究主要采用改造后的Hot Disk TPS 2500S导热仪对辉石粉末的热导率进行测量。同时,分析了真空度、温度对辉石粉末热导率的影响。实验结果表明:1)热导率随着真空度的降低呈下降趋势,大气压力在1000Pa时,辉石粉末热传导机制发生明显改变。在低压条件下(1000Pa)热导率随真空度的变化趋于平缓;2)辉石粉末热导率随温度的升高而增大,但是增大的幅度在低压和常压条件下存在明显差异。根据实验结果,提出了低压条件下辉石粉末热导率随真空度和温度变化的关系式。本研究表明,在月球和火星表面热环境的研究中,温度和压力对热导率的影响程度是不同的。上述结果对未来开展地外样品的热导率测量提供了重要的参考。     

嫦娥工程月球探测任务遥感科学研究进展

我国嫦娥一号至嫦娥五号任务已经成功完成了“绕、落、回”三步走战略，在月球全球和区域尺度、月表原位尺度、样品微观尺度获得了许多重要的研究成果，深化了对月球的认识。本文从月表物理特性、月表形貌及地质结构、月表物质组成和月表浅层结构四个方面回顾了嫦娥工程月球探测任务近10年来在遥感科学方面的部分研究进展，并展望了未来月球遥感科学的研究方向。     

月球岩浆洋演化的实验岩石学研究进展SCIEI北大核心CSCD

由于缺少直接来自月球深部的岩石样品,实验和计算模拟是认识早期月球演化过程的有效方法和手段。20世纪70年代以来,陆续开展了大量的实验岩石学和实验地球化学工作对月球岩浆洋(lunar magma ocean,LMO)演化模型进行验证和修正。但是,学界对LMO模型中的两个关键性参数,即初始物质组成和熔融深度,仍然存在不同的认识。根据月震和重力探测数据推测的平均月壳厚度的差异、月球样品含水量的研究以及新的遥感数据解译发现月表广泛分布富镁铝尖晶石(Cr#<5)等等,直接影响我们对月球初始物质组成和LMO深度以及月球深部高压矿物相的评估。本文通过整理高温高压实验岩石学和实验地球化学在研究LMO演化方面的一系列研究成果,主要聚焦以下几个科学问题:(1)月球初始物质组成中的难熔元素和挥发分含量,以及LMO深度对月壳厚度、结晶矿物的种类及含量有着决定性的影响;(2)高压矿物相石榴子石在月球深部稳定存在的可能性及其对残余岩浆中微量元素的分配行为的制约;(3)特殊类型的月球样品(包括火山玻璃、镁质岩套等)的成因机制对月球深部物质组成具有指示意义;(4)月核的不同物质组成对LMO模型的初始成分含量,特别是微量元素的限定作用。我们以最新的观测数据和月球样品的分析结果为依据,对已有的LMO演化模型进行重新评估,提出月球深部含有石榴子石的LMO演化模型的可能性,并对该方向亟需开展的工作进行探讨。     

月球的撞击历史及其对月表物质的改造

外来天体物质的高速撞击作用贯穿了月球形成和演化的全部历史。撞击作用是塑造月球全球地貌、改造月表物质的物理化学特征、影响月球多圈层演化的重要地质营力。月球上的撞击过程、撞击历史及其对月表物质的改造，一直是月球科学研究的重要内容，也是月球探测的重点研究对象。本文综述了近十年来国、内外在月球的撞击过程、撞击历史和撞击改造浅表层物质研究中的重要进展，重点介绍了基于我国嫦娥探月工程获取的科学数据的相关研究成果，展望了该研究的发展方向，并对未来探测的重要观测目标提出了建议。     

月球表面多种金属元素的分布特征初探

美国的"克莱门汀"(Clementine)和"月球探测者"(Lunar Prospector)号月球探测器,分别于1994和1998年完成了对月球形貌、水冰以及月球重力和磁场等物理参数的高精度、高分辨率探测。月球探测者号还利用伽马射线仪探测了月表层中铁、钛、铀、钍和钾等元素含量分布,这为进一步研究月球的空间与表面环境,月球的地形、地貌、地层与地质构造,月表土壤与岩石的分布、成分与成因,月球物理场特征,月球的内部结构、演化与成因提供了大量的科学数据和证据。根据"克莱门汀"和"月球探测者"号测得的数据,对月球表面金属钛、铁、镁、铀、钍、钾的分布进行分析,初步研究了这些金属元素分布与月球地貌的关系,计算各金属元素之间空间分布的相关系数,分析蕴藏这些金属资源地区的岩性及各种元素可能的来源。由此推测30亿年前月球内部逐渐固化,大量小行星对月表岩石频繁的撞击导致金属元素分布不均衡,使金属元素在月球高原地带普遍含量低于月海,同时也形成了现在我们看到的遍布月表的环形山。     

我国月球探测的总体科学目标与发展战略

在简述月球探测的历程与趋势的基础上,强调当代月球探测的总体目标为：①研究月球与地月系的起源和演化,特别是月球大气层与磁场的消失,矿物与岩石的分布和形成环境、月壤和内部层圈结构的形成以及月球演化的历程;②探测月球的资源、能源和特殊环境的开发利用及对人类社会长期可持续发展的支撑。我国不载人月球探测划分为绕、落、回三个阶段。为了全球性、整体性重新认识月球,绕月卫星探测的科学目标是为了获取全月面三维影像,探测14种有用元素的全球分布与丰度,探测月壤厚度并估算氦 3资源量以及太阳活动对空间环境的影响。"落"为月球探测器软着陆就位探测和月球车巡视探测,建立月基光学、低频射电和极紫外天文观测平台。"回"为月球探测器软着陆就位探测和取样返回地面。     

月球表面的环境特征

本文通过对月球探测资料和研究结果的系统分析,认为月球体积小、质量轻、离太阳较近(温度高)等因素是月球只有极为稀薄大气层的原因;论证了月球极地阴影区存在水冰的证据,并计算出水资源量约为66亿吨。研究了月壤中氦-3的含量与月壤颗粒大小、矿物组成、元素成分和结构特征的关系,并估算了氦-3的资源量;探讨了月球表面的反射率;综合分析了月球区域性磁场的形成机制。     

Landsat8卫星数据在安徽黄山汤口-寨西地热资源调查中的应用

遥感大数据分析与应用正成为地球信息科学领域重要的研究内容。利用热红外遥感技术进行地热异常信息的提取可以为地热资源勘查评价提供重要的依据。Landsat系列卫星数据拥有长时间的数据积累和较高的空间分辨率,是地表热环境时空序列大数据分析的重要数据。最新一代的Landsat8 卫星热红外数据在延续了较高分辨率的同时,敏感性更强,更加适合于对地表热环境空间分布进行精确分析。本文以安徽黄山汤口-寨西工作区为研究区,分别选用2016年12月9日Landsat8 的热红外遥感数据和2009年12月6日Landsat5 TM 数据,采用大气校正方法进行地表温度的反演和对比分析,通过密度分割分析提取地热异常信息,并综合遥感地质解译信息、气象、地形等数据,对工作区地热资源有利区进行了预测。结果表明：两个时相地表温度反演结果的空间分布基本一致,利用Landsat8 热红外数据的地表温度反演结果可以有效地获取地热异常信息,所圈定的地热异常较为合理,与工作区内主要的断裂构造分布一致,且和物探勘查和钻孔实验结果相对应,可以为地热资源勘查大数据分析提供重要的数据源。     

月壤中的氦-3

除了极少数非常陡峭的山脉与撞击坑和火山通道的峭壁外，整个月球表面几乎都被一层厚度不等的月尘、岩屑和岩块的混合堆积物即月壤所覆盖。由于月球无大气层等特殊环境，太阳光长驱直入，太阳风粒子直接注入到月壤细小颗粒上使月壤中富含稀有气体等太阳风粒子组分。本文在系统阐述月壤的形成过程与形成机制的基础上，分析了月壤中稀有气体的来源及其浓度与月壤的成熟度、月壤颗粒大小、月壤矿物组成和化学成分的相关关系，进而利用已有的探测数据和分析结果，对月壤中氦-3资源的开发利用前景进行了初步评估。     

全球变化与地表参数的定量遥感

从全球变化研究对遥感获取地表时空多变要素信息的需求 ,论述定量遥感中对地表多尺度空间信息作地学描述的新思路和新方法。在分析了变差图描述方法的特点及其不足的基础上 ,提出了直方变差图的概念 ,通过定义驻点和边界点 ,尝试采用直方变差图分解的方法分析地物空间分布规律 ,并通过一个实验对此方法进行了说明。进而基于对地表空间分布信息的提取 ,将可见光、近红外波段遥感信息用于热红外遥感的地温反演 ,利用地表空间结构和大气温度空间分布模式的差异 ,将热红外遥感图像分为地表贡献和大气贡献两部分 ,通过空间相关性分析 ,寻求从热红外遥感图像中直接分离出大气的空间分布模式的方法 ,以解决地温反演中面临的困难。已有的研究结果说明了在全球变化和定量遥感研究中 ,对地表多尺度空间变化信息作简洁的地学描述的必要性及其重要的应用意义。     

Advances in the study of lunar opposition effect

1Introduction Thelightscatteredfromthesurfacesofsolarsys temobjectsbearsinformationonthenatureoftheirsur faces,whichcanimproveourknowledgeontheorigin andevolutionofthewholesolarsystem.Theopposition effectreferstothenarrowpeakintheintensityoflight scatteredfromaparticulatemediumdirectlybackin thedirectiontowardthesource,whichalsomeansthe brightnessincreaseswithdecreasingsolarphaseangle (Hapkeetal.,1998).Itisoneofthemajorchallen gesinopticsofplanetarysurfaces.Seeliger(1887) discoveredfirstly…     

非均匀月壤介质的被动微波辐射传输模拟

基于非均匀月壤物理模型和辐射传输方程,模拟月壤介质中的微波辐射传输特性,探讨频率、月壤厚度等与月表亮温的关系。结果表明:在低频段,月壤微波辐射亮温的动态变化范围较大,可探测的月壤厚度大,3 GHz时的最大可探测月壤厚度达12.4 m;在高频段对应的可探测月壤厚度较小,特别是从50GHz往后的频率段内,最大可探测月壤厚度均小于2 m。不同频率的亮温-厚度变化曲线没有交叉点,且频率越高,所能探测的月壤厚度越小。根据模拟结果,建立了月壤厚度与亮温的查找表。基于查找表,利用单个波段的亮温数据即可得到月壤厚度信息。     

月球某些资源的开发利用前景

21世纪月球探测的主要趋势是建立月球基地，开发利用月球的矿产资源，能源和特殊环境，为人类社会的可持续发展发挥长期而有效的支撑作用，通过对月海玄武岩中的钛铁矿，克里普岩中的U，Th,REE和月壤中的拟－3在月面的含量与分布的系统分析，月海玄武碉中蕴藏有极丰富的钛铁矿，TiO2总资源量超过70万亿t，钛铁矿还是月球基地生产水和火箭燃料的主要原料；克里普岩是未来月球探测与研究的热点之一，其蕴藏有巨量的铀，钍，钾，磷和稀土元素资源；月壤长期受到太阳风的辐射，使其蕴藏有极其丰富的氢，氦，氧，氮等气体资源，其中氦－3的资源量大于100万t，它是一种可供人类社会长期使用的，安全，清洁，高效，廉价的核聚变发电燃料，其含量与月壤的化学成分，矿物组分，颗粒大小等有密切的关系。     

Noble Gases in the Lunar Regolith

The most fundamental character of lunar soil is its high concentrations of solar-wind-implanted elements, and the concentrations and behavior of the noble gases He, Ne, Ar, and Xe, which provide unique and extensive information about a broad range of fundamental problems. In this paper, the authors studied the forming mechanism of lunar regolith, and proposed that most of the noble gases in lunar regolith come from the solar wind. Meteoroid bombardment controls the maturity of lunar soil, with the degree of maturation decreasing with grain size; the concentrations of the noble gases would be of slight variation with the depth of lunar soil but tend to decrease with grain size. In addition, the concentrations of noble gases in lunar soil also show a close relationship with its mineral and chemical compositions. The utilization prospects of the noble gas ^3He in lunar regolith will be further discussed.