火星环境中沙尘粒子的光散射特性研究

摘要

随着中国深空探测战略的稳步推进，火星探测项目成为继载人航天工程、嫦娥工程之后最为重大的空间探测项目。由于火星环境的特殊性，火星大气中的沙尘成为影响火星光学探测的主要因素，因此研究火星大气中沙尘粒子的光散射特性，对于火星大气的环境分析、火星探测的光学图像分析以及未来火星上实施的无线激光通信项目都具有重要的理论参考价值。 本文首先介绍了火星上的大气和地表状况，分析了火星上沙尘粒子的垂直结构以及沙尘悬浮层的形成原因。利用对数正态分布拟合了火星上沙尘粒子的粒径分布，并给出了不同波长对应的复折射率；研究了火星环境中沙尘粒子浓度与高度、风速的关系。针对球形、椭球形、圆柱形和长方体形火星沙尘粒子，利用T矩阵研究了不同激光入射角的粒子散射特性；分析了球形、椭球形、圆柱形以及长方体形的尺寸对粒子散射特性的影响，研究了椭球形和圆柱形沙尘粒子的消光、散射和吸收因子，并与Mie理论计算的球形粒子的结果进行了对比；针对符合对数正态分布的沙尘粒子群，分析了散射特性随散射角的变化，并与Pollack研究的结果进行了对比，结果表明：计算结果与Pollack研究的结果基本一致。利用Mie理论计算了0.21μm-40μm波段范围内不同程度沙尘暴下激光的传输衰减和透射率，并分析了它们随入射光波长的变化关系；利用Mie理论和T矩阵计算了火星大气中沙尘条件下的传输衰减和透射率；针对人眼最敏感的0.55μm波段的绿光，分析了能见度随沙尘浓度的变化关系，对比表明Mie理论和T矩阵计算的球形粒子的散射特性相等。最后针对火星上没有发生沙尘暴时，研究了传输衰减和透射率随高度的变化。 研究结果表明：单个球形粒子和非球形粒子的散射特性差别很大，并且同一形状，不同尺寸比对散射特性的影响也不同。在沙尘暴条件下，火星大气中沙尘粒子浓度很高导致传输衰减很大；而当没有沙尘暴时，火星大气中沙尘粒子浓度较低，传输衰减较小。

目录

声明

1 绪论

1.1 国内外火星研究历史

1.2 火星沙尘粒子光散射特性研究背景与意义

1.3 火星沙尘粒子的物理特性研究进展及现状

1.4 论文主要研究内容和结构安排

2 火星地表和大气状况

2.1 火星地表状况

2.2 火星大气状况

2.3 火星大气中沙尘粒子的垂直结构

2.4 火星大气中沙尘悬浮层的形成机制

2.5 本章小结

3 火星大气中沙尘粒子的物理特性

3.1 火星大气中沙尘粒子的形状和尺寸分布

3.1.1 火星大气中沙尘粒子的形状

3.1.2 火星大气中沙尘粒子的尺寸分布

3.1.3 火星大气中沙尘粒子的复折射率

3.2 火星大气中沙尘粒子浓度和高度的关系

3.3 火星大气中沙尘粒子浓度和风速的关系

3.4 本章小结

4 火星沙尘粒子的光散射特性计算

4.1 球形粒子的散射理论

4.2 非球形粒子的散射理论

4.3 粒子取向角对沙尘粒子散射特性的影响

4.4 不同尺寸的取值对沙尘粒子散射特性的影响

4.4.1 不同半径球形粒子的散射场强度

4.4.2 轴比对椭球形沙尘粒子散射特性的影响

4.4.3 半径和高对圆柱形沙尘粒子散射特性的影响

4.4.4 尺寸对长方体形沙尘粒子散射特性的影响

4.4.5 不同形状沙尘粒子的散射特性对比

4.5 火星沙尘粒子的消光、散射和吸收因子计算

4.5.1 不同形状火星沙尘粒子的消光因子

4.5.2 不同形状火星沙尘粒子的散射因子

4.5.3 不同形状火星沙尘粒子的吸收因子

4.6 火星沙尘粒子整体的散射特性

4.7 本章小结

5 火星大气中沙尘条件下的传输衰减、透射率和能见度

5.1 传输衰减、透射率和能见度与沙尘粒子浓度的关系

5.1.1 火星大气中沙尘条件下0.21μm—40μm波段的衰减系数

5.1.2 传输衰减随沙尘粒子浓度的变化关系

5.1.3 透射率随沙尘粒子浓度的变化关系

5.1.4 能见度随沙尘粒子浓度的变化关系

5.2 激光在不同高度传输时的散射特性

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 存在问题及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果