The lunar surface temperature real-time model

Abstract

国外相关研究结果表明，月球表面的光度学稳定度可达10–8/年，是自由空间内稳定的辐射参考源，可用于星载遥感仪器的外定标。与基于地球表面目标观测的在轨定标方法相比，最大的优势在于在轨月球观测信息中没有大气辐射的贡献，大气窗区和非窗区处理方式几乎一致。同时，作为整体发射率稳定的自然天体，月球表面的温度范围在90—390 K之间，完全满足通常对地观测探测的动态范围要求。月球复杂的表面辐射特性，是制约对月定标技术发展的主要原因之一。月球表面辐射特性与月表发射率、月表温度密切相关。月表温度分布是月球重要的热物理参数之一，是月球表面热演化模型的必要边界条件，同时也是研究月球表面发射谱的关键参数。获取月表温度的方法大致可以分为两大类：直接测量温度数据和建立物理模型预测。直接测量温度数据又可以细分为下面3种方法：地基遥感测量、绕月探测卫星遥感测量、登陆月球直接测量表面温度。地基观测的空间分辨率很低，只能反映出一大片区域的平均温度；另外两种方法花费巨大，且不能对全月的温度变化进行长期的观测。月表温度物理模型基于热传导理论，结合月壤样本的热物理参数，将月球当成半无限固体，根据Stefan-Boltzmann定律和能量守恒定律，得到月表物理温度和太阳辐照度、月球内部热流的关系。太阳辐照度是月表温度分布的最重要的因素。本文以天文计算为基础，准确描述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，建立一个可以计算任意时刻、任意经纬度坐标点的月表温度模型，从而有助于准确描述月表辐射特性。与风云二号G星的观测结果对比，该模型可以准确描述月相的变化。阿波罗15号首次开展了一系列探索月球的科学试验，其中在登月点附近开展的月表热流试验是ALSEP(Apollo Lunar Surface Experiments Package)的重要组成部分。月表热流试验提供了登月点附近长时间的月表温度数据，通过与阿波罗15号实测数据进行对比，当太阳高度角大于0°时，该模型可以准确描述月球表面的温度变化；当太阳高度角在一定范围内时，模型的温度误差在1 K以内。