基于THz大气窗口的多功能金星遥感构想

　　引言

　　自 1961 年前苏联发射金星 1 号飞船以来，人类共发射了 42 颗金星探测器，金星的神秘面纱也随着人类的不断造访被逐渐揭开。50 多年的金星探索之旅得来的各种数据表明: 金星独特的地理环境、大气特性，具有不同寻常的令人难以捉摸的怪异，为人类留下很多未解之迷。

　　经过探索发现: 虽然金星自转速度相对较低，但其表面大气反而表现得有规律的周期性。金星赤道自转速度为 1． 81m/s、而大气中的强风速度最高竟达 110m/s，乃是前者的 60 倍。这种“超旋转”现象从发现至今已近 40 多年，但一直还是个不解之谜，只有经过更深入的探测研究才能揭示其机理。对金星大气进行立体结构的观测以及结合金星地表结构、温度进行综合分析是一种有效的解决办法。

　　然而，多次的航天探测表明，金星的浓密大气，使得航天器难以拍到清晰的地表照片，金星的高温，使得登陆探测器工作时间有限，探测活动的收获不够理想。1989 年美国的麦哲伦( Magellan) 金星 SAR成像探测使人们清楚地看见金星的地表特征，但其不能揭示出金象地表的温度特征。在此以后，对金星探测近、中、长期科学目标相对较为清晰，近期即充分利用前期已表明的金星大气模型参数，并利用金星轨道卫星长期测绘特点，进行有选择的光谱探测以揭示金星表层上的立体结构，设法推理出金星的演化历史。

　　此外、在长期的金星观察过程中，科学家们总结出下列的金星表层大气经验公式:【1-2】

　　
　　公式( 1) 表明了金星表面上大气温度与高度的关系，公式( 2) 表明大气密度与高度关系。可以想象: 通过表层温度的精确探测，可以反推出其地表特性以及表层大气特性，反演出大气活动规律。另一方面，如结合高度计的联合数据，也可验证公式的适用性。因而，选择合适的窗口频率进行表层温度探测具有深远意义。2005 年 ESA 的金星快车任务以及 2010 年日本的行星-C 都试图通过对金星表层上的立体结构遥感探测解释金星未解之迷，虽然行星-C 没有成功，但金星快车取得的数据可说明选择的合理性。

　　1 金星大气模型

　　及金星快车 VIRTIS 窗口频率根据前期探测数据可知: 金星大气主要是 CO2、N2，以及中间层的 SO2。中间的 SO2存在使可见光探测不可能，浓密的 CO2又限制了红外探测的应用，高的大气密度又必须寻找更宽的窗口频段以有效减少频谱展宽的影响，图 1 是资料所表明的金星成份参数，图 2 是资料所表明的金星三层结构。【图1.图2，略】

　　
　　金星表面观察必须选择有效宽窗口以有效穿透上述结构。2005 年 ESA 的金星快车中的 VIRTIS 是一种工作于近紫外、可见光和红外波段的成像光谱仪，VIRTIS 合适的选择的二个窗口频率 1． 02um和1． 3um开展表面温度测量和研究，其表面温度成像数据与 Magellan 探测 SAR 成像数据取得了相一致的结果。

　　虽然无法得之 ESA 科学家的原始设计理验，但从气体成份分子谱线出发可以佐证其选择的前提。图3、图4 分别基于 HITRAN 频谱数据库入手得到其窗口和加入了水汽成份后的窗口消失图。【图3-4.略】

　　通过验证表明: 近红外1． 02um 确实是一个非常合适的金星大气探测窗口，但另一方面也验证了无需考虑水汽的极小量影响。但是，这个窗口频带下的太阳辐射能量同样很强列，因而金星快车近红外频点表面温度探测仅能探测金星背阴面的地表特性，要做到全天候金星全球适时地表遥感，更低的频率 THz 是比较合适的选择。
　　
　　2 金星大气模型下的 THz 窗口特性
　　
　　在 THz 频段，很多气体分子的特征谱线均落到这个频段，水汽以及地球上的很多痕迹气体在此频段有强烈的吸收谱线，但在金星上，这些气体是有待探测确定的痕迹气体，即使有也极其微量，相对于金星中也已探明的气体是微不足道，探测金星表面温度 THz 遥感同样基于图 1 中所论述的大气模型进行宽窗口选择，图 5 中反映出 THz 频段下的宽窗口特性。

　　可以看出，THz 频段其窗口相对带宽可达到20% 以上，比图 3 近红外端 8% 左右更宽，很适合进行全天候下金星表面遥感探测频点选择。

　　3 金星表面温度下近红外与 THz 窗口性能比较

　　前期各项金星探测表明，金星表面温度虽然准确数值点没有具体统一标准，但基本可以认定在700K ～ 900K 之间，其表现的最大表面辐射在 7um左右。但这个波长则处于金星大气 CO2的强辐射带中，金星快车所选择是基于地表辐射的高端窗口，而选择 THz 频点则是基于其低端窗口，通过普朗克黑体近似计算可以发现: 低端更加有其优越性。图6 ～ 图 8 分别反映出相对黑体计算辐射结果以及 2个窗口频率下的辐射特性。【图6-8】

　　通过曲线比对，可以看出，选择 THz 窗口具有 2个明显优点:

　　1) 相同的地表温度下，THz 窗口辐射强度比近红外辐射强度高 1 至 2 个数量级。

　　2) 相对应的地表温度下，选择 THz 窗口具有相当一致的线性特性，后期的数据处理和峰值点逼近相对简单。

　　另外，基于金星至太阳的距离而计算可以得到:

　　高端近红外窗口的辐射量与其地表的辐射相当，这也是 VIRTIS 只能在背阴面窗口探测的原因，如选择THz 窗口则可实现全天候下进行金星表面遥感探测。
　　
　　4 金星表面其成份、痕迹气体多功能 THz遥感探测构想
　　
　　图 5 中低频边带反映是 SO2特征谱线分布，而高频边带则反映是 CO2特征谱线分布，从而在选择THz 窗口特性在进行窗口频谱细分时，完全可以在进行金星表面温度探测的同时，利用窗口上下气边带探测成份气体特性，达到成份气体随高度细分探测的目标。此外，也可利用痕迹气体( 金星大气中，微量气体成份如 HF、HCl、H2S、H2O 都可认为是痕迹气体) 的 THz 特征谱线进行临边下的窄带遥感探测，从而实现多功能遥感探测目标。图 9 显示出基于上述论证金星 THz 窗口下的微量气体 HF、HCl 谱线分布情况，可以看出同等条件下的辐射特性比成份气体谱线强度高 4 ～ 6 个数量级，遥感探测完成可行。

　　5 结论

　　文章引证金星快车中的载荷探测数据，以说明从金星大气模型出发，选择合适的窗口频点是实现对金星表面探测的有效手段，并提出基于 THz 金星窗口全天候金星表面遥感探测的构想，在我国进行深空项目目标论证中，希望起到抛砖引玉的作用。

　　国外对 THz 的频谱遥感探测研究较为深入，NASA 的 DIRBE、FIRAS、MIPS 项目，ESA 的 ISO、日本的 ASTRO 等均对 THz 大气特性进行研究，其中Herschel 中的 Pacs 将 60um ～ 200um 分成 2 个焦平面成像频率区间，最为典型的日本 SAFARI 项目中更是将 34um ～210um 细分至 3 个波段，基于目前状态下的金星 THz 窗口( 30um ～39um) 遥感完全可以工程实现。

　　目前，需要制冷限制了 THz 遥感的深空应用，但随着新型材料如石墨烯等、新工艺技术( 美专利US7557349 bolometer-type THz-wave detector 是一个很好的探测思路) 进步，会逐渐突破制冷技术或无需制冷，THz 频段的工程应用将会越来越广泛。

　　参考文献:

　　［1］ Challenges of a Venus Entry Mission: Anita Sengupta1U．S． Government work not protected by U． S． copyright．IEEEAC paper #1505，Version 4，Updated December 22，2010．
　　［2］ Atmospheric Environments for Entry，Descent and Landing( EDL) : C． G． Justus，R． D． Braun．