金星探測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)于60km高度以下的低層大氣，仍存在諸多觀測(cè)空白，制約了人類對(duì)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(shí)理解。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)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(cè)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(cè)，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(shí)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(duì)金星大氣的被動(dòng)微波輻射傳輸模型，利用該模型開展了探測(cè)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(dòng)微波探測(cè)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(guó)際參考大氣（VIRA）和已有就位探測(cè)數(shù)據(jù)等開展了端到端仿真，結(jié)果表明，算法對(duì)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(cè)亮溫與地基射電望遠(yuǎn)鏡測(cè)量結(jié)果的對(duì)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(cè)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(cè)，研究成果為我國(guó)空間科學(xué)衛(wèi)星工程候選任務(wù)“金星火山與氣候探測(cè)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(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、中國(guó)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(guó)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）