空间中心科研人员在利用被动微波遥感探测金星低层大气廓线研究方面取得重要进展

金星探测是解答太阳系类地行星形成和演化、地球宜居性形成和未来发展、太阳系外宜居星球搜索策略等行星科学重大前沿问题的关键。已有的金星大气遥感探测任务以可见光、红外至紫外光谱手段为主，由于浓厚硫酸云层的遮蔽，导致这些探测手段穿透大气深度有限，主要获取了中、高层大气和云上信息，对于60km高度以下的低层大气，仍存在诸多观测空白，制约了人类对金星低层大气热力与化学过程、表面和大气交换与耦合、气候演化等科学问题的认识理解。

中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室董晓龙研究员、张子瑾特别研究助理等提出了利用轨道器多波段微波辐射计遥感探测金星低层大气温度和硫化物浓度廓线的新方法。该方法利用低频微波的强穿透能力，穿透金星硫酸云获取表面温度数据，并利用二氧化碳、二氧化硫和硫酸气体吸收导致的不同微波频段穿透特性的差异，通过多波段微波辐射探测，获取金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面数据，以及它们随时间和经纬度的变化特征。

为了证实该方法的可行性，研究人员建立了针对金星大气的被动微波辐射传输模型，利用该模型开展了探测通道配置设计和正演仿真，结果表明，通过低频和高频被动微波探测相结合，能够实现金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面信息获取。研究人员进一步建立了基于贝叶斯理论的低层大气廓线反演算法，并利用金星国际参考大气（VIRA）和已有就位探测数据等开展了端到端仿真，结果表明，算法对金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度廓线的反演精度分别优于3.5K、35% 和30%。

图1 利用金星大气辐射传输模型仿真的金星圆盘平均观测亮温与地基射电望远镜测量结果的对比（实线表示模型仿真结果，圆圈表示地基射电望远镜观测结果）

图2 金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面反演精度（实线表示低海拔情况，虚线表示高地情况）

此项研究通过系统的前向和反演仿真首次证实轨道器多波段微波辐射计能够实现金星低层大气温度、二氧化硫和硫酸气体浓度垂直剖面的精确探测，研究成果为我国空间科学卫星工程候选任务“金星火山与气候探测任务（VOICE）”论证提供了重要的技术支撑，为该任务实现金星全球云下大气成分及热力结构探测能力突破以及金星气候研究等重大科学突破奠定了基础。此项研究得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、中国科学院空间科学先导专项、空间中心“攀登计划”项目的资助。研究成果近日发表于国际期刊Earth and Space Science。

文章链接：Zhang, Z., Dong, X., Xu, J., He, J., & Wang, W. (2024). Frequency channel selection and performance simulation of a microwave radiometer for temperature and sulfuric compound profiling of the Venusian lower atmosphere. Earth and Space Science, 11, e2023EA003429. https://doi.org/10.1029/2023EA003429

（供稿：微波室）