月表温度对于月幔对流影响的数值模拟研究

行星内部对流计算中, 一般都将其表面温度作为常温处理.但在月球、水星等无大气的天体表面, 温度与纬度明显相关, 月球两极和赤道的平均温度相差可以达到100 K以上.纬度相关的温度边界条件, 是否会影响天体早期对流特征与内部热状态, 过去没有得到重视和研究.本文使用有限元方法进行了二维球壳对流模型的热演化模拟, 以评估无大气行星上, 与纬度高度相关的表面温度对其内部对流和演化的影响.模拟计算结果表明, 表面温度会对月球对流形态产生较大影响, 两极因为相对更冷而易于形成下降流, 上升流更倾向于从赤道位置开始, 在早期演化中表现得尤为明显.受边界条件影响, 月球两极与赤道的岩石圈厚度差异可以达到400 km以上.今后在研究太阳系内月球、水星一类没有大气的天体演化、特别是早期演化时, 对于表面温度纬度相关分布的影响应该予以考虑.

     

月震

前言　　 1 96 9～ 1 972年期间 ,作为Apollo计划的一部分 ,共有 1 2名宇航员踏上月球 ,他们总共进行了 6次登月 (如表 1所示 )。在每次登月时 ,2名宇航员登上月球表面 ,而第 3名宇航员仍留在控制仓内。参考文献 [1 6 ](略 )列举了Apollo任务的科学实验。本文的目的是对月震实验作一总结。表 1　Apollo登月任务任务日期着陆点登月宇航员控制仓宇航员11196 9年 7月 16～ 2 4日平静海南部ArmstrongandAldrinCollins12 196 9年 11月 14～ 2 4日风暴海BeanandConradCordon14 1971年 1月 31日至 2月 9日FraMauro地区ShepardandMitchellRoo…     

地月空间粒子辐射环境及其对月表物质的影响研究进展

由于没有全球磁场和稠密大气保护,月球直接受宇宙线、太阳风和地球风粒子的轰击.了解月球空间粒子辐射的特性、粒子的来源和传输等过程,本身是亟待解决的空间科学基础问题,同时还可帮助更好地提供预报和预警,为保障探月和载人登月等活动的安全提供理论参考;此外,月球空间辐射环境中的粒子与月表作用产生的水等物质对载人登月和月球基地意义重大,且月表物质保存了空间环境较为完整的信息和演化历史,对研究地月系统及太阳系其他天体(乃至系外行星)的宜居性与演化,也具有重要的科学价值.本文在简要总结地月空间粒子辐射环境研究现状的基础上,重点分析了近月粒子辐射环境及其对月表物质所产生的影响,梳理了宇宙线、太阳能量粒子事件、太阳风、地球风以及月源粒子等不同辐射的来源和传输机制,这些粒子与月表作用产生水、赤铁矿、中性原子等物质的过程,以及相关过程对月球空间环境的影响、对地月系统演化的启示等关键科学问题,并提出了解决问题所面临的技术难点,最后对未来可能的重点研究内容进行了展望,可为后续月球探测任务(例如嫦娥四期和国际月球科研站等)相关领域科技规划提供一定的参考.

     

月震研究进展与展望

月球内部的圈层结构对于理解月球的形成和演化至关重要,因为它与岩浆洋冷凝、密度分异和物质对流等过程密切关联.阿波罗任务在月球正面中低纬度建立了第一个月震观测台网,为我们提供了研究月球内部结构以及月震的宝贵实测资料.然而,阿波罗时代的月震仪在灵敏度等方面存在较大限制,导致原始信噪比低,严重影响了月球内部圈层结构的探测能力,...     

月表温度剖面对于“嫦娥一号”卫星微波探测仪探测亮温影响的模拟研究

月球表层的温度剖面是月球表面微波遥感的一个重要参数.利用从Apollo,Luna等登月试验带回的样品得到的有关月表物质物理特性的知识,通过求解热传导方程,分析了月面表层温度的时间和空间的变化规律,模拟产生了全月的600cm温度分布结果.结果表明：月球表层温度剖面的变化绝大部分集中在表层20cm的范围,除了在两极地区,温度的昼夜变化波及到约1m深度,大于这个深度温度基本上稳定不变.温度的波动很大程度上导致了“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）的不同通道亮温的变化.本文的研究结果证明了温度剖面对于CELMS亮温的影响,从另外一个角度证明了CELMS测量数据的正确性,为遥感数据的解译和科学目标的反演提供了依据.     

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.     

在嫦娥一号探月工程中求定月球重力场

月球重力场制约着近月外空间物体的运动,同时环月飞行器的运动也反映了月球重力场的作用. 本文结合我国嫦娥一号探月工程,探讨了利用月球卫星的地面跟踪资料,求定月球重力场的基本理论和方法,分析了环月卫星的轨道高度、地面跟踪采样时间间隔和跟踪精度等对求定月球重力场的影响. 若单独利用我国嫦娥一号探月工程的地面跟踪数据,恢复30阶次左右的月球重力场模型是一个比较实际的目标. 地面跟踪最好能以75s的时间间隔进行采样,数据连续提供时间应不少于30个昼夜,月球卫星星下点的月面轨迹间距不大于110km.     

绕月探测工程的初步科学成果

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日在西昌卫星发射中心成功发射, 2009年3月1日受控落月于52.36°E, 1.50°S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, 一共获得了1.37 TB的原始科学探测数据, 在此基础上目前已生产出约4 TB科学应用数据产品. 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”在内的一系列科学成果, 圆满实现了预期的各项科学目标, 为推动我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.     

华南地区近震走时表（速度模型）的精度检验

利用１６６次地震资料，通过３种地壳速度模型的对比，按照规定的评判原则，对《华南地区近震走时表》（速度模型）对福建及其邻区的地震定位精度进行了检验．结果表明，华南地区地壳模型（走时表）比Ｊ－Ｂ模型（走时表）更适合于本区地震的定位．     

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.     

月球富钛玄武岩喷发对月球生热元素丰度的约束

近几十年来,对月球的遥感观测以及对月岩样品的分析揭示了月海玄武岩、镁铁质月球玻璃等的时间和空间分布特征,其被认为与月幔的热化学演化密切相关,并且引出了许多解释模型.本文考虑月球结晶末期在上部形成的致密的钛铁矿层和下部的月幔,由于密度原因钛铁矿层发生倒转,之后受热上涌产生玄武质岩浆等的演化过程,从热化学演化的角度为月海玄武岩、月球玻璃等的形成提供了一种可能的机制.然而,上述演化过程时间尺度和形态结果很大程度上是由月球内部生热决定的.我们使用包括月核演化的三维月幔对流模型来研究不同生热元素丰度对月幔倒转和之后火山喷发的影响效果,我们的模型揭示了不同的内部生热将会保持相似的演化模式,但会改变热化学演化的时间,同时结果表明,在月幔参考黏度为1×10²¹Pa·s的情况下,在3.9 Ga集中喷发月海玄武岩要求月球的生热元素丰度至少与地球相当.

     

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(MAP模型)以及满足1-σ准则的月球内部结构模型(1-σ模型),其中MAP模型即为本文给出的最优化月球内部结构模型.此外,研究结果表明月球低速区S波波速低于月幔S波波速,因此本文结果支持月幔底部存在一个低速区的观点.不同观测值观测精度对模型影响的研究结果表明,勒夫数k₂存在一个约为0.0220的下边界,且其观测精度对月球内部结构模型的影响显著大于平均密度和平均转动惯量.

     

The solar and lunar effect of earthquake duration and distribution

Phase folding algorithms are conventionally used in periodicity analyses using X-ray astronomy pulsar. These allow for accurate identification of the cycle and phase characteristics of the physical parameters of the periodic variation. Although periodic variations in earthquake activity have long been studied, this paper is the first to apply the phase folding algorithm to the analysis of shallow (<70 km) seismic data for the period 1973–2010. The goal is to study the phase distribution characteristics of earthquake frequencies and we see a connection between earthquake occurrence and solar and lunar cycles. First, the rotation of the Sun may play a significant role in impacting on the occurrence time of earthquakes with magnitudes of less than 6.0. This may be especially pertinent for earthquakes with magnitudes between 5.0 and 6.0, when the modulation ratio reaches 12 %. The Moon’s gravity, which is generally thought to have the greatest influence on the global environment, may actually play less of a role on earthquake timing than the rotation of the Sun. Second, when we consider the world to be divided into 72 local regions based on latitude and longitude, we can see that there are more than a dozen regions with significant non-uniform distributions of earthquake occurrence time. In these regions, the ratio of χ ² to the number of degrees of freedom far exceeds five. As a result, we posit that some factors associated with the Sun–Earth–Moon relationship may trigger earthquake activity under certain temporal and spatial conditions.     

Simulation of the stratospheric ozone and temperature response to the solar irradiance variability during sun rotation cycle

Despite substantial progress in atmospheric modeling, the agreement of the simulated atmospheric response to decadal scale solar variability with the solar signal in different atmospheric quantities obtained from the statistical analysis of the observations cannot be qualified as successful. An alternative way to validate the simulated solar signal is to compare the sensitivity of the model to the solar irradiance variability on shorter time scales. To study atmospheric response to the 28-day solar rotation cycle, we used the chemistry–climate model SOCOL that represents the main physical–chemical processes in the atmosphere from the ground up to the mesopause. An ensemble simulation has been carried out, which is comprised of nine 1-year long runs, driven by the spectral solar irradiance prescribed on a daily basis using UARS SUSIM measurements for the year 1992. The correlation of zonal mean hydroxyl, ozone and temperature averaged over the tropics with solar irradiance time series have been analyzed. The hydroxyl has robust correlations with solar irradiance in the upper stratosphere and mesosphere, because the hydroxyl concentration is defined mostly by the photolysis. The simulated sensitivity of the hydroxyl to the solar irradiance changes is in good agreement with previous estimations. The ozone and temperature correlations are more complicated because their behavior depends on non-linear dynamics and transport in the atmosphere. The model simulates marginally significant ozone response to the solar irradiance variability during the Sun rotation cycle, but the simulated temperature response is not robust. The physical nature of this is not clear yet. It seems likely that the temperature (and partly the ozone) daily fields possess their own internal variability, which is not stable and can differ from year to year reflecting different dynamical states of the system.     

西藏羊八井地区太阳短波辐照度特征及其短期预测模型对比分析

本研究利用西藏羊八井太阳短波辐照度观测数据分析了该地区2020—2021年的辐射时间序列分布特征,基于时间序列分析、随机森林（Random Forest,RF）和Prophet进行建模预测,通过对比研究探究三种模型在该地区的适用性以及提高模型预测精度的方法.结果表明：该地区短波太阳辐照度呈双峰倒U型分布的月变化和单峰倒U型分布的日变化特征.RF在选用模型中最优,其标准化均方根误差（Normalized Root Mean Square Error,NRMSE）、决定系数R2分别为17.54%和0.962.小波变换去噪能提高各模型预测精度,NRMSE降低4.82%~12.94%.组合模型能提高预测精度,误差倒数权重组合模型的NRMSE较差分自回归滑动平均模型（Autoregressive Integrated Moving Average,ARIMA）和Prophet分别下降35.22%、25.12%.预测时间步长差异也会影响预测效果,模型的预测误差随时间步长逐渐增大而减小.因此,可利用RF等机器学习模型在西藏地区进行太阳辐照度短期预测,通过小波变换、组合模型、预测时间步长等环节提高预测精度,以满足当地光伏发电对太阳辐照度的预测需求.     

Sensitivity of the surface temperature to changes in total solar irradiance calculated with the WRF model

The temperature sensitivity of the WRF model to changes in Total Solar Irradiance (TSI). The simulations were performed for a region centered over the North Atlantic Ocean, including portions of Eastern North America, Western Europe and Northwest Africa. Four simulations were run with different TSI values. Also, a fifth simulation was performed in which we varied the initial atmospheric conditions, in order to compare the effect on the temperature of both, changes in the TSI and initial atmospheric conditions. Comparing temperature monthly averages we found that changes in TSI and in the initial conditions have a measurable impact on temperature in the region of study. The sensitivity of the model using non-dimensional parameters was also estimated. The numerical experiments show some features that might allow to distinguish between the effects on the temperature due to changes in TSI from those caused by initial conditions. However, TSI changes are of the same order of magnitude than those of disturbances in the initial conditions. We also found that the mean monthly values of temperature over the full grid, did not present significant variations due to changes of either initial conditions or TSI.     

高能电子爆发与绕月卫星表面电位大幅下降的联动效应

“嫦娥”一号、二号绕月飞行经历地球磁尾边界层区域时,分别在2007年11月26日-2008年2月5日和2010年10月3日-2011年2月28日,发现了15次月球轨道0.1~2 MeV电子急剧增加（Bursts of 0.1~2 MeV Energetic Electrons,BEE）,卫星周围等离子体离子加速的现象.统计研究表明,这类现象发生在稳定太阳风和弱行星际磁场条件下,且无显著空间环境扰动事件发生时,离子的加速滞后于高能电子爆发,离子能量的变化与高能电子通量的时间演化正相关,地球磁鞘内侧或边界层过渡区域是该类现象的高发区,离子能量增加时卫星表面电位大幅下降可达负几千伏.为了研究高能电子爆发与绕月卫星表面电位变化的关系及其对月球表面电位的影响,本文用电流平衡法建立绕月卫星和月球表面充电模型,并假设能量电子（>2 eV~2 MeV）满足幂律谱的分布,模拟急剧增加的能量电子对卫星和月球表面电位的影响.模拟结果表明,能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降;能量电子总流量>1011 cm-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负上千伏;月球充电到大的负电位的时间仅为卫星充电时间的1/10.鉴于高能电子急剧增加事件的高发生率（~125次/年）,能量电子急剧增加使得绕月卫星表面电位大幅下降的发生率应大于实测等离子体离子加速现象的发生率（~25次/年）.     

应用LP165P模型分析月球重力场特征及其对绕月卫星轨道的影响

通过现有的最新月球重力场模型LP165P和GLGM-2模型对月球重力场的特征进行了分析,计算了相应重力场的阶方差,给出了两种模型在月球外部空间不同高度上的重力异常分布图,分析比较了截断至不同阶次的月球重力场模型在不同高度上所反映的月球重力场的特征和差异.此外,利用GSFC/NASA/USA的GEODYNⅡ轨道分析软件模拟计算了不同高度处卫星的轨道变化,得出了在进行一定高度的轨道计算时,可以对重力场模型进行适当截断的结论.