金星探測是解答太陽系類地行星形成和演化、地球宜居性形成和未來發(fā)展、太陽系外宜居星球搜索策略等行星科學(xué)重大前沿問題的關(guān)鍵。已有的金星大氣遙感探測任務(wù)以可見光、紅外至紫外光譜手段為主，由于濃厚硫酸云層的遮蔽，導(dǎo)致這些探測手段穿透大氣深度有限，主要獲取了中、高層大氣和云上信息，對于60km高度以下的低層大氣，仍存在諸多觀測空白，制約了人類對金星低層大氣熱力與化學(xué)過程、表面和大氣交換與耦合、氣候演化等科學(xué)問題的認(rèn)識理解。
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董曉龍研究員、張子瑾特別研究助理等提出了利用軌道器多波段微波輻射計(jì)遙感探測金星低層大氣溫度和硫化物濃度廓線的新方法。該方法利用低頻微波的強(qiáng)穿透能力，穿透金星硫酸云獲取表面溫度數(shù)據(jù)，并利用二氧化碳、二氧化硫和硫酸氣體吸收導(dǎo)致的不同微波頻段穿透特性的差異，通過多波段微波輻射探測，獲取金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面數(shù)據(jù)，以及它們隨時間和經(jīng)緯度的變化特征。
為了證實(shí)該方法的可行性，研究人員建立了針對金星大氣的被動微波輻射傳輸模型，利用該模型開展了探測通道配置設(shè)計(jì)和正演仿真，結(jié)果表明，通過低頻和高頻被動微波探測相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面信息獲取。研究人員進(jìn)一步建立了基于貝葉斯理論的低層大氣廓線反演算法，并利用金星國際參考大氣（VIRA）和已有就位探測數(shù)據(jù)等開展了端到端仿真，結(jié)果表明，算法對金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度廓線的反演精度分別優(yōu)于3.5K、35%??和30%。
圖1 利用金星大氣輻射傳輸模型仿真的金星圓盤平均觀測亮溫與地基射電望遠(yuǎn)鏡測量結(jié)果的對比（實(shí)線表示模型仿真結(jié)果，圓圈表示地基射電望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果）
圖2 金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面反演精度（實(shí)線表示低海拔情況，虛線表示高地情況）
此項(xiàng)研究通過系統(tǒng)的前向和反演仿真首次證實(shí)軌道器多波段微波輻射計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)金星低層大氣溫度、二氧化硫和硫酸氣體濃度垂直剖面的精確探測，研究成果為我國空間科學(xué)衛(wèi)星工程候選任務(wù)“金星火山與氣候探測任務(wù)（VOICE）”論證提供了重要的技術(shù)支撐，為該任務(wù)實(shí)現(xiàn)金星全球云下大氣成分及熱力結(jié)構(gòu)探測能力突破以及金星氣候研究等重大科學(xué)突破奠定了基礎(chǔ)。此項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程、中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)、空間中心“攀登計(jì)劃”項(xiàng)目的資助。研究成果近日發(fā)表于國際期刊Earth??and Space Science。
文章鏈接：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）
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