23221字硕士毕业论文重力/地形月球物理参数反演及月球热模型研究

介绍

1.1月球科学研究的重要性

月球科学研究是国家科技发展的必然结果，也是国家战略的主要要求。中国分别于2007年和2010年成功发射了“福伊尔-1”和“许伊尔-2”月球探测卫星，实现了预定的月球探测目标。已经开发了具有0个主要知识产权的CLTM物理论文sOl和重力场模型CEGM-01和cegm-02 (Yan等人，2009，2011)。毕建国等，2010)，积累了丰富的科学知识和技术经验，为下一阶段发射月球着陆器和未来载人登月奠定了坚实的基础。因此，在月球上进行科学研究具有重要意义。月球是目前地球上唯一的天然卫星。自其形成以来，没有明显的火山或板块构造运动。它保留了早期形成的地质特征和月球大学物理论文的物理过程，为研究地球-月球系统的形成和演化提供了良好的条件。因此，月球可以被称为研究太阳系形成的活化石(欧阳自远，2005；袖扣，2006年).月球表面环境具有超高真空、无磁场、地质结构稳定、重力弱(月球表面重力加速度相当于地球重力加速度的1/6)、清洁度高等特点。由于不受大气热传导的影响，月球表面昼夜温差约为573.15千；由于月球表面的超高真实空状态，月球表面不存在大气吸收、反射和散射。每月地震的强度相对较弱，仅为地震强度的十亿分之一，最大的每月地震震级仅相当于里氏1至3级。此外，月球上没有全球磁场，只有微弱的剩磁存在于月球岩石中(Wieczorek等人，2012年)。由于月球的上述特征，月球在许多科学研究领域具有独特优势，这使得月球能够作为空科学、天文学、地球科学、生命科学和材料科学的研究基地。就空之间的探索而言，从月球表面发射火星探测器或其他行星探测器要比打开一篇关于地球物理的论文容易得多(卡尔森，2003；飞盘，2003年；Head等人，2003年).

由于应力环境测量和控制简单方便，月球可以作为未来的深空空探测基地，不仅可以作为自然发射平台，也可以作为理想的深空空探测中转站。由于月球稳定的结构特征及其自转和公转的同步性，月球表面可以在夜间连续观测半个月。就天文观测而言，月球的优势还包括:月球表面的高曲率和稳定性有利于甚长基线干涉观测和测量(Mummaet al .，1990；波特等人，1990年；戈达德太空飞行中心，1999年；Van Susante，2002年)；高真空、台空的暗背景和低温环境有利于观测仪器探测较长波段。月球的超真实空环境为天文观测提供了一个完美的超紫外线和x射线观测窗口。月球低转速可用于长期高灵敏度观测，并可监测多光谱的连续变化。月球也是地球的理想监测站。月球上建立的观测网络可以监测和研究地球的地质结构和环境变化。例如，每月观测网络可用于监测对地球构成威胁的近地空或深空空小行星(Foing，1996年)。月球物理、化学和地质学的研究有助于更好地了解月球的内部结构、起源和演化以及地球-月球系统的形成。同时，保存在月球表面的太阳风和星际物质的独特记录为研究整个太阳系的起源和演化提供了宝贵的资料。

1.2月球重力场模型的研究进展

自1959年苏联发射第一颗绕月卫星以来，高精度、高阶月球重力场模型一直是月球探测活动的重点。阿基姆(1966)利用月球10号月球探测卫星的219个探测数据建立了第一个月球重力场模型，首次发现了月球重力场的不对称性(Floberghargen，2002)，并证明了在流体静力平衡条件下月球重力场的扁率大于预测值(Konopliv等人，1998)。Lorell和Sjogren (1968)利用五颗月球轨道卫星的轨道跟踪数据建立了8×4重力场模型。迈克尔和布莱克希尔(1972)然后使用相同的数据源求解了13x13球面调和重力场模型。与以前的模型相比，该模型的分辨率在月球以南20度和以北30度的范围内有所提高。比尔和法拉利(1977，1980)利用阿波罗5号和16号子卫星以及月球轨道飞行器的月球探测轨道跟踪数据五次求解了16x16月球重力场模型。由于阿波罗号(ApollolS)和16颗卫星的轨道高度约为lOOkm，轨道倾角为29°，这次求解的重力场模型不仅提高了精度，而且扩大了覆盖范围。到1993年，由于高性能并行计算机的发展，科诺普利夫(1993)利用上述模型的同一数据源求解了60阶球面调和模型Lun60d，这提供了历史上最高的精度和分辨率。克莱曼婷任务于1994年执行，期间积累了大量激光测高数据，提供了有史以来最高精度和分辨率的激光测高数据。莱莫因(1997年)利用克莱曼婷任务期间的卫星轨道跟踪数据和激光测高数据以及早期阿波罗5号和16颗子卫星的轨道跟踪数据，求解了70阶月球重力场模型GLGM-2。该模型确定了月球锋区的几个小尺度重力异常区。科诺普利夫(2001)使用月球探勘器(LP)和以前的月球探测卫星轨道跟踪数据，如月球轨道飞行器(LO-1、LO-2、LO-3、LO-4、LO-5)、阿波罗(阿波罗5号、16号)、克莱曼婷等。用多步法求解高阶月球重力场模型LP165P。该模型最近几个月的有效阶数是110阶，远月面是60阶。然而，在全球范围内，重力场模型的球体预测阶只能估计为15阶，即全球有效阶只有15阶。

第二章基础理论……9

2.1局部基函数的重要性……11

2.2局部球面函数……14

2.3重力/地形的全局导纳函数和相关函数……15

第三章月球重力场模型特征分析……18

3.1导言……21

3.2月球主重力场模型及其表达式……23

3.3功率谱……月球重力场模型25

第四章月球重力/地形导纳及相关分析……26

4.1导言……28

4.2不同重力场模型的重力/地形整体导纳谱和相关谱……31

4.3不同重力场模型的重力/地形局部导纳谱和局部相关谱……32

结论

本文利用中国具有自主知识产权的月球重力场模型CEGM02和LOLA的激光测高数据，以及Lifl和Lifl之间的重力/地形导纳关系，分析了月球岩石圈的弹性厚度，为月球的热演化提供约束。本文详细分析了月球重力场模型、重力/地形导纳模型和月球物理参数反演、月球六层模型的月球核半径以及不同初始条件下潮汐钌效应对月球热演化的影响。主要成就如下:

(1)利用球面函数对主要月球重力场模型进行局部谱分析，利用GEODYNII定轨软件模拟分析不同轨道特性的月球探测卫星对月球重力场模型的改进。结果表明，CEGM02更适合月球物理解释，SGM150j更适合月球探测卫星的精确定轨。高精度的月球全球重力场模型可以通过整合以往月球探测卫星(如fu\' e-1、fu\' e-2、SELENE、LP、克莱曼婷、月球轨道飞行器、GRAIL等)的轨道跟踪数据来进一步求解。并统一这些数据的数据，采用优化的数据融合方案和考拉约束准则。本章的研究为未来月球重力场模型的发展和月球物理参数(月球壳厚度和岩石圈弹性厚度)的确定提供了一定程度的参考。

(2)由于月地震资料有限，通过重力/地形导纳求解荷载比、月壳厚度、月壳密度和岩石弹性厚度等物理参数是目前的主要方法之一。首先，详细研究了不同月球重力场模型参与重力/地形导纳和相关分析的适用性。结果表明，主要月球重力场模型适用于月球前部重力/地形导纳研究，而月球重力场模型结合SELENE轨道数据更适用于月球后部重力/地形导纳分析。然后详细研究了球谐域重力/地形导纳谱。岩石圈被视为薄的弹性球面层，表面地形被视为作用于岩石圈的外部载荷，内部异常密度物质被视为作用于岩石圈的内部载荷。利用弹性球腔方程建立岩石圈力学模型。结果表明，粒子群优化算法能够同时检索月球物理参数的最优解，计算效率远高于传统的迭代方法。本文提出的重力/地形导纳联合粒子群优化算法可以同时反演月球的物理参数，为月球内部精细结构的研究提供适当的参考。

参考

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