火星O_2(a-1Δ_g)...高光谱分辨辐射传输特性研究_武魁军.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，武魁军，吴传航，胡向瑞等 火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究地球物理学报，（）：，：，（）.（），（）：，：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究武魁军，吴传航，胡向瑞，王后茂，熊远辉，李娟，何微微烟台大学物理与电子信息学院，山东烟台 中国科学院国家空间科学中心，北京 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 摘要 波段的氧分子近红外气辉是火星大气最重要的气辉辐射之一，该气辉高光谱分辨辐射传输模型的建立对于研制火星探测载荷，反演火星大气的风场温度场与臭氧浓度，以及研究火星空间物理，有重要的科学价值与工程意义在研究火星大气（）气辉光化学反应模型的基础上，提出了（）气辉体辐射率的计算方法，并建立 了 火 星 大 气 气 辉 辐 射 传 输 理 论；通 过 与 用 于 研 究 火 星 大 气 特 征 的 光 谱 学 探 测 仪（，）的实测数据进行对比，验证了所建立的火星（）气辉高光谱分辨辐射传输模型的准确性；针对火星与地球大气的（）气辉，在体辐射率、自吸收效应，以及临边辐射光谱特性三个方面进行了系统深入的比较，对比结果表明，火星大气由于密度低、氧气丰度小，其自吸收效应可以忽略不计，但其（）气辉辐射强度与地球大气相当，可以用于火星大气的风场温度场与臭氧浓度的探测与反演关键词临近空间；（）（）波段；气辉；体辐射率；临边辐射强度 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家自然科学基金项目（，），山东省自然科学基金（），山东省高等学校“青创科技支持计划”（）资助第一作者简介武魁军，男，博士，副教授，主要从事光学遥感及空间物理方面的研究 ：通讯作者何微微，女，博士，副教授，主要从事光学遥感及空间物理方面的研究 ：（），期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究 （），（）（）（）（）：，（），；（）（）；引言自 世纪 年代以来，人类先后完成了月球、太阳和原“九大行星”的探测，太空活动范围已覆盖太阳、行星及其卫星、小行星等各种类型天体 火星是距离地球第二近的行星，作为太阳系中与地球最为相似的行星，可能是最适合生命出现和生存的地外行星（，；，；，）火星与地球的相似程度引起了人们相当大的好奇心，因此长期以来火星一直是国际顶级科研机构在深空探测领域最瞩目的研究对象 年，随着我国“天问一号”（，）、阿联酋“希望号”和美国“火星 ”三款探测器（车）相继到达火星，全球火星探测的热潮被再次点燃（，；，）火星大气参数，如密度、温度、风速、各组分浓度等信息，不仅是建立火星大气动力学和热力学模型以及研究火星大气 现 状及 演化 规 律 的 关 键 参 量（，；，），同时也是指导火星探测器顺利完成轨道切入并成功着陆的重要依据 因此，火星大气探测与建模具有重要的科学价值和工程意义目前，火星探测器主要依靠巡航飞行器上搭载的被动光学设备探测火星大气中气辉、风、温、密、压等大气参数信息（，；，）作为大气光化学反应过程的产物，气辉是研究火星大气的很好的示踪物，其分布和变化过程蕴含着火星大气多种参数信息（，；，）波段的氧气分子近红外气辉是火星最重要的大气气辉辐射之一，它是由氧气分子第一激发态（）到基态（）的跃迁产生的 在电子态跃迁过程中，伴随着振动态和转动态的跃迁，该过程使得氧气分子近红外气辉成为包含约 条辐射线的光谱带（，；，）在火星大气的诸多气辉辐射谱线中，其辐射强度最强，高度覆盖范围最广，极易被近红外光谱仪捕捉观察，同时涉及许多重要光化学反应（，）因此，建立该气辉高光谱分辨辐射传输模型极具科学价值与工程意义首先，（）气辉可以用来反演火星大气中臭氧分子的空间分布（，；，），是火星大气中化学反应最活跃的物种之一 研究臭氧的空间分布和时间演化是探索火星空间环境、完善火星光化学模型的必要手段 等（）通过利用臭氧 红外波段谱线外差，直接观测 在火星大气中的空间分布和时间演化规律，并给出中低纬度地区臭氧垂直分布的第一个数据，但臭氧在火星大气中含量很低，同时受到 分子、尘埃颗粒物的影响，因此观测到的谱线强度很低，观测误差大、范围窄，反演得到的臭氧丰度不稳定 等（）通过哈勃太空望远镜（，）微弱物体光谱仪（，）对火星进行了紫外线（）光谱扫描，利用紫外波段的探测数据反演了的高度廓线，测量的光谱包括许多成分（臭氧吸收、气体的瑞利散射、表面反射尘埃和冰云的散射和吸收等），但反演的参数较多，不确定性太大而（）作为臭氧光解的直接产地 球 物 理 学 报（）卷物，可以间接测量 含量，（）提出通过分析 （）的体辐射率（，）来间接获取 浓度的反演方法 实践证明，（）气辉是目前测量高海拔臭氧的最好、最精准的办法其次，（）气辉还可以用来测量火星重力波 等（）给出了在火星大气中传播的重力波引起气辉反应模型的第一个模拟数据结果，并对选定的气辉特征图像进行对比度测量，建立了两个监测火星大气重力波活动的系统：天顶地面成像系统（）和基于轨道器的成像系统（）等（）通过火星快车空间探测器（，）上的 成像光谱仪以 （）气辉辐射为目标源追踪火星重力波 重力波优先在 和 之间的高入射角处被发现，当入射角 时，气辉强度波动约为 气象模式预测了与 （）波型相同的纬度范围内的重力波活动，证实了气辉成像是探测和研究重力波二维传播的一种有效方法此外，（）气辉也是目前测量火星大气温度场、火星大气风场的手段之一，等（）鉴于 （）气辉辐射强度相对较强、自吸收能力相对较弱，加拿大 计划部署的中间层成像迈克尔逊干涉仪（，）以及 的 计 划 支 持 的 波 成 像 迈 克 尔 逊 干 涉 仪（，）均采用该谱带的强、弱两组气辉谱线（每组条）对地球 高度进行风温探测 等（）在参考 及 设计理念的基础上，提出将多普勒成像技术应用于火星大气风场温度场探测，并设计了一种低重量宽 视场 迈 克 尔 逊 干 涉 仪（，）该仪器能够观测 （）气辉的自然辐射，并测量其多普勒频移、光谱线宽和平均强度，从而提供火星大气 高度范围内的风场、温度场及臭氧的廓线信息 等（）提出在宽场迈克尔逊干涉仪中使用折射材料实施分镜技术的火星成像迈克尔逊干涉仪（，），并以风速不确定性作为主要标准，分析了它在测量目标排放时的行为，验证了 能够进行火星精确测风可行性为了更加深入和全面地观测和了解火星大气氧气分子近红外气辉的辐射特性，欧美发达国家相继研制发射了多颗针对火星大气气辉辐射的卫星载荷并获得了大量的观测数据（，）年，欧洲空间局发射 对（）气辉进行了连续观测 年，美国国家航空航天局发射火星勘测轨道飞行器（，），装置在火星勘测轨道飞行器 上的火星专用小型勘测成像光谱仪（，）采用临边观测模式，获得了第一套火星（）气辉体辐射率剖面数据（，）等（）结合最新云微物理模型将检索到的（）气辉光剖面与动态气象实验室全球气候模型（，）中同位置（纬度、经度、高度）以及同时间模拟的（）进行了比较火星 分子近红外气辉遥感数据的大量积累，也有力地推动了气辉辐射理论研究的发展 为更好的理解和利用（）气辉辐射，欧美发达国家相继建立了相应的（）气辉辐射传输模型 和 （）提出了第一个普遍接受的和 光解模型 等（）进一步改进了该模型 等（）在地球（）气辉模型建立的基础上，给出了火星大气中（）气辉的光化学模型，通过 数据库中 非辐射测量值建立了参考光谱，并利用近红外辐射光谱（光谱范围 ）与参考光谱进行差分处理，得 到 了（）气 辉 的 绝 对 辐 射 强 度 等（）在 的基础上，将观测到的（）倾斜辐射率与使用 积分的 的（）气辉强度垂直曲线进行比较，使得 与 数据在春季和夏季北部以及其他季节的北部高纬度地区具有更好的一致性 其结论与 等（）利用 临边观测的初步分析相一致截至目前，（）气辉辐射传输模型已经初步建立，但光谱分辨率较低，无法揭示（）波段气辉辐射谱带的精细光谱结构 反演风场和温度场需要光谱分辨率达 （），所以高光谱分辨模式的缺少会严重限制 （）在火星大气温度场和风场中反演的应用本论文的目的就是构建高光谱分辨率的 （）火星大气气辉辐射传输模型，为火星大气遥感，尤其是火星大气温度场和风场中反演期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究的应用提供理论指导 第一部分给出了 （）的产生机理及辐射传输理论 第二部分介绍了观测仪器，第三部分对临边观测得到的数据进行处理，计算得到 （）辐射强度 第四部分将火星和地球进行了数据对比处理 本文的第五部分对得到的数据结果进行了总结基本原理（）气辉光化学反应模型氧气分子的近红外大气带气辉辐射（）波段是由氧气分子的激发态到基态，即（）（）跃迁产生的 在地球上，（）昼气辉的产 生 机 理 主 要 是 分 子 在 及 带的紫外光解，分子在 带的紫外光解，以及 分子的近红外共振吸收（，）相对于地球而言，火星上的氧气丰度较小（约 ），且大气密度低（地表大气压约 ），其吸收率只有地球体系的千分之一到千分之五左右，所以 分子的紫外光解效应以及近红外共振吸收效应均可忽略 因此火星上（）激发态主要来自臭氧在太阳紫外辐射下的光解作用，这也是造成地球和火星气辉形成差异的最大因素之一，图给出了（）气辉产生机理在白天，分子在 带的紫外光解产生（）的光化学反应可以表示为（，）（）（），（）（）（）.（）这里是普朗克常数，；是光的频率；代表波长两个反应的有效性分别为 和 等（）得出臭氧光解速率系数导致了（）的形成速率从靠近远日点 到靠近近日点 不断变化 等（）得出在近日点时 光解速率系数取决于太阳通量、太阳天顶角、温度，同时又和火星与太阳之间的距离、臭氧浓度有关系，所以是一个变化的值 在本文中，光解速率系数的值使用了 的计算结果在夜晚，（）的产生主要通过三体反应，反应方程式如下（，）：（）.（）图火星（）气辉产生机理代表太阳光谱中的 带的光解过程，（）表示单个氧原子的第一激发态电子态（）表示单个氧原子的基态电子态，（，）表示氧分子的第二 激发态电 子 态，、分 别代 表、近红外的太阳激发过程，（）表示氧分子的基态电子态（）表示氧分子的第一激发态电子态 （）（），（）（，），（），（）根据 （）的研究，在火星大气中，该反应的柱速率为 反应峰值出现在 处，预期的气辉光柱强度为 （）的损耗过程包含两种机制，一是自发辐射，另一个是碰撞湮灭激发态分子如果没有被其他分子碰撞而湮灭，则会发生自发辐射，即从（）激发态跃迁至（）基态，在这个过程中，分子的势能被释放，辐射出光子，产生 的气辉光谱 此外，处于激发态的（）极不稳定，容易与大气中其他气体分子发生碰撞而湮灭至基态，分子的势能转换成动能，不辐射出光子，即没有气辉产生（）的损耗过程可以用下列两个公式（）、（）给出（，）：（，）（，），（）（）（），（）地 球 物 理 学 报（）卷式中，是分子跃迁上能级的振动量子数；火星上的碰撞湮灭只考虑 分子，这是因为火星大气中 的含量高达 ，主导了（）的碰撞损耗（）的自发辐射从激发态 跃迁，进入基态电子态的振动能级 和，两个跃迁分别对应近红外的 （，）和 （，）两个波段 根据实验室测量，的辐射强度是 的辐射强度的 倍（，），所以我们选择忽略 （，）波段产生的影响 体辐射率（）体辐射率（）是激发态（）的产生与损失之比，并按其持续时间加权可表示为（），（）式中（）代表（）激发态密度，是（）辐射寿命，尽管有大量的大气研究，但对（）辐射寿命（）的估计仍有很大的不确定性，本文使用了 等（）推荐的 表示从激发态（）辐射跃迁到所有较低的状态的单位时间单位体积内释放的光子数，即 综合考虑上述所有关键光化学反应过程，根据产生和湮灭机理，在日间时处于（）激发态的粒子数浓度的连续性方程可以表示为（，）（）（）（），（）式中为（）与 碰撞失活反应速率常数：（）通过与 碰撞失活，气体对激发的氧分子的碰撞失活反应的速率常数（）是众 多 研 究 的 主 题，该 反 应 的 速 率 常 数 非 常 小 等（）进行了最精确的实验室测量，并获得了反应速率（）的上下限（）；（）提出 ，以使其光化学模型与 和地球测得的（）气辉相吻合；等（）基于大量的实验室测量，提出反应速率上限 本文采用了 的计算结果当光化学平衡存在时达到稳态，即（，）（），（）因此，结合公式（）、（）可以推导得到式（）：（）（）.（）临边观测卫星上的遥测光谱仪不能直接测量（）的辐射率，但记录了（）的辐射强度，即观测路径上的积分：（），（）式中为（）的辐射强度综合平衡方程以及路径积分公式，即将公式（）变形后代入公式（），由公式（）可以得到（），（）式中，是火星到太阳的距离（瑞利），定义为单位长度内入射光线的光通量被单位固体角内的散射光线散射的光通量所除的比例，为兆瑞利 辐射传输理论研究火星 （）气辉体辐射率及光化学反应模型，旨在建立 （）气辉的高光谱分辨模型，从而对火星风温探测载荷建立提供理论指导对于多层大气，每个观察方向都定义了一个视线路径，为目标分配的路径段由每个光线路径与轮廓水平面的交点定义，临边观测模式下，切点还用于分隔视线路径 图说明了临边观测几何路径模型构造，假设每个路径段内的不均匀大气层具有相同的辐射和吸收特性，并用等价的均匀路径表示图临边观测几何路径模型构造为模型中假设的大气层（、代表大气层的、层），为临边观测路径的最远点 ，在临边观测模式下，对于地球体系，由于大气中氧气含量较大，较强的自吸收效应导致积分路径光谱辐射的计算较为复杂，需要考虑各层辐射沿视线路径的衰减改变；而对于火星系统而言，其大气中氧气含量极低，自吸收效应可以忽略不计，卫星观测到的辐射强度可以简单地看作是辐射源和观测点之间路径期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究垂直剖面的 型积分 此外，与地球大气相比，火星大气的非局域热平衡效应也更加显著，导致气辉辐射传输特性计算模型中常用的黑体辐射定律及玻尔兹曼分布规律全部失效，辐射源项不能直接用 方程表示，分子的能级布居数也不能再用 定律给出，须引入统计平衡方程求解，通过计算得到分子能级数密度分布，再计算源函数（，）当波数为时的单色气辉辐射（，）可以表示为（，）（，）（），（）式中，是临边观测路径最远点与观察点 之间某一位置，（）是 分子数密度（）（，）（，）（）（，），（）式中，（）表示火星大气的辐射源函数为分子跃迁能级对应的波数，（，）为黑体辐射定律（即普朗克方程），为火星大气温度，为真空光速（其值为 ，），为玻尔兹曼常数（其值为 ），（，）为 分子在，态的能量利用该辐射模式，我们可以得到火星（）临边辐射传输特性模型，图以临边切点高度为 为例，可以清晰地看到处于大气带中心位置的辐射光谱具有较强的辐射强度图火星上临边切点高度为 时（）辐射光谱 （）观测数据 遥感仪器火星快车上的用于研究火星大气特征的光谱学探测仪（）是其携带的有效载荷 从 年月开始运行，由紫外线（）和近红外（）两个光谱仪组成，它致力于利用各种观测模式研究火星大气 主要有三种观测模式：（天底观测）、（临边观测）以及 （掩星观测）这些模式在仪器观察轴的指向上有所不同其中临边观测模式是航天器将仪器的视场指向与行星边缘平行的位置，并保持惯性姿态 在临边模式下，允许反演白天和夜间不同大气成分垂直分布的信息 通过 上（）临边观测结果，探究（）红外大气带辐射，对（）光化学模型是有价值的输入，从而进一步促进高光谱分辨模型的建立 基于声光可调谐滤波器（，）的近红外光谱仪（，）的 光 谱 范 围 为 ，其分辨率相对较高（），光谱分辨率为 在波数上大致恒定（），在 处对应光谱分辨率为 （分辨率为 ）视场角（，）为，这相当于在火星快车轨道近中心的最低点观测星球表面 的距离 对于临边观测，可以根据目标到 航 天 器 的 距 离，垂 直 延 伸 在 处，仪器的噪声等效亮度为 ，这使得仪器能够根据火星的亮度达到 的高信噪比，从而可以可靠地测量 （）辐射 作为一个点光谱仪，其工作原理是光谱的顺序扫描 在 范围内，完整测量 个光谱点的完整光谱需要 它包含个光谱间隔共 个光谱点，每个间隔都在一个很窄范围包内含特定光谱特征，这三个窗口分别对应于大气分子不同谱带 第一个窗口在 处覆盖了 光谱范围内的主要 波段第二个 窗 口在 处 专 门 用 于 测 量 第三个窗口在 处以测量 辐射为主 的间隔测量持续 ，每重复一次 临边观测的持续时间（目标点从至 ）在 之间变化（每个剖面有 个光谱）对于此类测量，最终的垂直采样通常为 ，因此在大多数情况下，主要取决于视场角或临边观测的垂直分辨率 观测的（）辐射光谱为获得 （）气辉的临边辐射光地 球 物 理 学 报（）卷谱，我们需要通过观测光谱计算获得 （）的绝对辐射强度 专门用于检测辐射的光谱窗口覆盖 的波段范围，所以必须尽可能地考虑到 辐射范围内的所有特征光谱特征，如 范围内的（）气辉光谱和弱 吸收谱线，水蒸气的吸收可以忽略不计 其中，弱 吸收谱线主要用于光谱校准和定标 利用 的临边观测数据，我们以高纬度 轨道（火星北半球北纬 ，表示地心经度）为例，计算（）气辉临边辐射光谱强度，通过 观测到（）气辉临边辐射光谱如图所示 在 波段范围，（）气辉辐射光谱的谱积分强度基本不受火星大气温度影响，该波段内光谱强度约为近红外大气带总气辉强度 ，可以用于准确反演（）的体辐射率图 轨道 处测得的（）强辐射光谱 （）为了减小地表反射及大气散射对临边辐射光谱的影响，同时获取相对纯净的气辉辐射光谱，需要构建参考光谱，以确保（）临边辐射光谱与理论太阳光谱相关的不确定性最小化 火星奥林匹斯山顶的海拔高度为 ，其大气层对太阳辐射的变化在 波段的光谱范围内可以忽略不计对奥林匹斯山顶上记录的 个最低点光谱进行平均，即可获得参考光谱，如图所示对 光谱范围内的观测光谱与参考光谱进行差分，即可获得整个 （）波段的气辉临边辐射光谱强度，如图所示 理论计算与观测数据对比利用 节阐述的火星大气气辉辐射传输理论计算得到的高光谱分辨的临边光谱数据，以及 图参考光谱 图观测光谱与参考光谱差分计算得到的实验光谱 节获得的 临边观测数据，可以对比分析火星大气气辉辐射传输理论的准确度在考虑 实际光谱分辨能力的基础上，利用卷积计算的方法对 （）分辨率的理论仿真光谱数据进行降分辨率处理，使其光谱分辨率与 的观测数据一致 此外，将 的观测光谱强度的单位由 转换为：（）.（）（）.（）降分辨率后的理论数据与观测结果的对比如图所示为了便于比较，将理论辐射光谱与实验光谱在 处进行谱积分处理，图显示了理论计算与实际观测结果在不同临边观测高度上的对比，以及在时间统计上的对比，可以看出，理论计算与实际观测具有较高的拟合性，从而证明了火星气辉辐射模型的正确性 图 的误差主要来自于仪器本身，的等效噪声亮度（，）在期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究图实验光谱与理论光谱对比；其中短划线为实验光谱，实线为理论光谱 ，处约为 ，扣除参考光谱后，每个点的误差为 经光谱积分后，整个波段的误差为 ，不同高度的观测光谱误差区别较小，因此误差棒在观测高度上具有较强的一致性 所以该结果进一步验证了（）临边辐射强度计算的正确性 图 为理论计算结果和仪器观测结果的统计对比，可见较高的一致性 考虑到仪器在夜间的信噪比比较低的实际情况，图 的对比结果只统计了日间气辉的数据地球与火星对比（）早期的临边辐射模型建立是在地球上完成的，将已建立的火星 （）气辉图（）轨道上的（）气辉倾斜辐射率，其中短划线为 观测光谱的谱积分，实线为理论计算结果；（）理论计算结果和仪器观测结果的统计对比 （）（），；（）临边辐射光谱与地球（）气辉光谱进行对比分析，可寻求模型的进一步完善，从而对火星温度场和风场探测载荷的建立提供理论指导 体辐射率比较氧分子的最低激发态（）可以通过直接或间 接 过 程 产 生其 中，直 接 过 程 是 臭 氧 分 子 带（）的光解作用；间接过程是氧原子激发态（）的能量传递无论地球体系，还是火星大气，臭氧分子 带的光解作用都是（）的主要来源 地球与火星体系主要不同点在于激发态氧原子（）的产生过程及其对（）态的实际作用 地球大气中（）有两种产生途径：（）臭氧分子 带的光解；（）氧分子在 及 的光解（，）而对于火星大气，由于其氧气丰度极低，约 左右，不足地球大气氧丰度的千分之五；此外，火星大气的密度不到地球大气的百分之一 超低的大气密度及氧气丰度，导致火星大气氧气含量极低，因此由氧分子的 光 解 作 用 导 致 产 生 的（）可 以 忽 略不计对于地球体系，氧原子激发态（）的能量传递产生（）也是间接性的（，）地球大气中的（）通过与基态氧分子（）碰撞 进 行 能 量 交 换 产 生 激 发 态 的 氧 分 子（），（）再与地球大气中的、地 球 物 理 学 报（）卷等碰撞损失能量，生成激发态（）；而对于火星大气，由于氧气含量极低，（）的能量传递产生（）的过程同样可以忽略不计 此外，地球大气中基态氧分子可以吸收 的太阳辐射直接产生（），也可以吸收 波段的太阳辐射产生（），（）通过上述碰撞损失能量的方式生产（）对于火星体系，该过程同样因为其氧气含量不足而可忽略不计 图为纯理论计算的结果，分别给出了地球与火星北半球（）（）体辐射率对比图（）地球北半球（）（）体辐射率；（）火星北半球（）（）体辐射率 （）（）（）；（）（）（）自吸收效应比较对于 近红外波段气辉（），在自吸收效应方面，火星大气和地球大气有着极为显著的区别在地球大气中，由于氧气丰度较高、大气密度较大，导致氧分子在 处有非常明显的自吸收效应，尤其对于 以下的中低空区域，自吸收效应更为严重 而相对于地球而言，火星上氧气丰度很小（约 ），大气密度又低（地表大气压约 ），氧气的自吸收率在千分之一到千分之五左右，在工程应用中，完全可以忽略不计 图 所示为地球及火星大气中氧分 子 在 附 近 的 透 过 率 对比图 临边辐射光谱对比图 显示切线高度为、时，地球大气（）红外大气波段的临边辐射光谱，其中红线代表考虑自吸收效应时的临边辐射光谱强度，蓝线代表忽略自吸收效应时的临边透射光谱强度 显而易见的，处于大气带中心位置的辐射光谱具图 火星与地球透射率对比 有较强的辐射强度，两翼位置处的辐射光谱自吸收效应较弱，并且辐射强度与吸收系数均随切点高度的变化而变化 同时目标层的光谱辐射强度在相对较高的切向高度（）时更接近于临边光谱亮度，在低空时，目标层的光谱辐射相对较小 这种现象可以解释为：（）数密度在低海拔（）期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究图 地球（）在不同切线高度（、）处的临边辐射与透射光谱；其中红线代表临边辐射光谱，蓝线代表临边透射光谱 （）（，），时会有强烈的自吸收；（）海拔越低，（）的 越小然而火星上大气密度较低、氧气丰度较小，故在火星（）临边辐射传输特性模型中，的自吸收作用可以忽略不计 图 中所示为火星大气（）气辉在、临边观测高度的辐射光谱自吸收效应的存在，会对气辉的辐射传输模式的建立以及后期体辐射率、风场、温度场，乃至臭氧浓度的反演，产生重要的影响 通过对比火星及地球 近红外波段气辉的临边辐射光谱（见图、及），可以清晰明确的发现自吸收效应产生的显著差异此外，由图 及图 可以看出，火星（）气辉在低空区域的体辐射率仍然较高这主要是由于两方面的原因，一方面，火星上的光化学反应过程比地球上的光化学反应更加剧烈，非局域热平衡效应也更加显著，导致火星大气中（）气辉的体辐射率与地球大气相当；另一方面，火星大气中氧气丰度极低，使得火星大气中（）气辉的自吸收图 火星（）不同切线高度（、）处的临边辐射光谱 （）（，）效应可以忽略在进行地球大气近红外气辉临边辐射光谱的计算时，由于地球较强自吸收效应的存在导致不能简单地沿辐射源和观测点之间路径进行 型积分，而是要沿视线路径考虑逐层的吸收衰减 在反演体辐射率时，剥洋葱算法中也要充分考虑每层大气的自吸收效应 但是，对于火星系统其辐射模型的计算，可以简化为体辐射率沿辐射源和观测点之间路径垂直剖面的 型积分 在反演体辐射率时，只需要按照对称球型模式，进行简单的剥洋葱算法，即可获得目标层的参数信息结论本文通过研究火星大气的太阳紫外光解、太阳辐射激发、碰撞能量转换等效应，建立了火星（）气辉的光化学反应模型，在此基础上，综合所有关键光化学反应过程，根据气辉的产生和湮灭机理，推导了（）态的粒子数浓度的连续性方程，利用光化学平衡存在时达到稳态这一假设，得到了（）气辉体辐射率的计算公式，在参考地球地 球 物 理 学 报（）卷大气临边观测几何模型的基础上，充分考虑火星大气（）气辉自吸收效应不明显这一重要特征，将地球大气的气辉辐射传输模型进行简化，提出了沿辐射源和观测点之间路径垂直剖面进行 型积分计算火星（）气辉临边辐射传输特性的数学方法借鉴地球大气气辉辐射传输模型，在忽略自吸收效应的情况下建立了火星大气（）气辉高光谱分辨辐射传输模型，光谱分辨率可达 （），该分辨率能够满足火星大气风场及温度场的探测要求（，）利用 上的重要载荷 在近红外通道的实测数据同本文建立的火星（）气辉高光谱分辨辐射传输模型的理论计算结果进行了比对，两者吻合性较好，验证了理论模型的准确性最后在体辐射率、自吸收效应，以及临边辐射光谱特性三个方面对比了火星与地球大气的（）气辉 与地球体系一样，火星大气中（）气辉产生的主要来源也是臭氧分子的紫外光解作用 不同之处在于火星大气密度较低，因此在低空区域不存在显著的碰撞湮灭效应，所以，火星（）气辉在低空区域依然有较高的体辐射率 此外，在自吸收效应方面，对于地球大气，由于氧气丰度较高、大气密度较大，导致氧分子在 有非常明显的自吸收效应，而火星上氧气丰度小、大气密度低，导致其自吸收率在千分之一到千分之五左右，在工程应用中也完全可以忽略不计 相对较弱的碰撞湮灭效应，以及可以忽略不计的吸收效应，使得火星大气（）气辉辐射强度与地球大气相当在未来的研究工作中，我们将会利用建立的火星（）气辉高光谱分辨辐射传输模型，结合地球风温卫星遥感载荷采用的气辉光谱成像仪，建立火星风温遥感仪器模型，分析计算利用（）气辉探测火星风场温度场的实际精度致谢非常感谢美国宇航局行星数据系统提供的火星气辉卫星遥测数据，感谢加拿大纽布朗什维克大学高级研究员 老师在理论及数据处理方面给予的指导和帮助 ，：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，：，：，：，：，（）：，：，（）：，：（），：，（）：，：，：，（）：，：，：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（），：，：，（）？：，（）：，：，（）：，：，期武魁军等：火星（）气辉高光谱分辨辐射传输特性研究 （），（）：，：，（）：，：，（）：，：（）：，（）：，：，：，：，（）：，：，（），（）：，：（），（），（）：，：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：，（），：，：，：，：，（），：，：，（），（）：，：，：.，（），：，：，（）：，：，（，）（），（）：，：，：，：附中文参考文献何微微，武魁军，傅頔等 临近空间风温遥感干涉仪设计及正演光学精密工程，（）：，：杨晓君，王后茂，王咏梅 氧气（，）波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析空间科学学报，（）：，：刘栋，戴聪明，魏合理 中高层大气临边红外辐射的 与 模拟对比大气与环境光学学报，（）：，：（本文编辑胡素芳）