月球与行星科学多模态大模型的概念及应用初探

自2022年底一系列大型语言模型(大模型)发布以来,以大模型为研究热点的新一代人工智能、(AI)技术在各行各业引起高度重视,随即出现的专业大模型更将重塑千行百业。月球与行星科学领域作为科学技术前沿的代表,建立该领域的专业大模型是今后的必然趋势。本文在多模态大模型的基础上首次提出了月球与行星科学多模态大模型的概念,并从其定义、设计及应用场景等细节展开详细阐述和讨论。模型旨在帮助更多人认识月球并了解月球,同时协助更多学者处理并分析月球与行星数据,促进挖掘月球与行星大数据间的隐式或非线性关系,主动发现并解决未知科学问题,率先推动大数据驱动科学发现这一新的研究范式在行星科学领域落地生根。

活动小行星311P/PANSTARRS的动力学特性分析

311P/PANSTARRS是一颗活动小行星,具有小行星和彗星的双重特征,是中国``天问二号'的探测目标之一.311P/PANSTARRS直径较小,约为400 m,非引力效应可能会对其长期动力学演化产生较大的影响.通过假定不同表面组分,研究了Yarkovsky效应对311P/PANSTARRS轨道演化的影响,讨论了密近交汇、非破坏性碰撞和YORP(Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack)效应等非引力效应,计算了小行星与大行星密近交汇及碰撞概率,估计了311P/PANSTARRS达到自转周期分裂极限的时标.模拟结果显示与纯引力模型相比,Yarkovsky效应可能会加快311P/PANSTARRS离开当前共振区域,大约在10Myr以后311P/PANSTARRS会离开当前所在共振带,在表面覆盖风化层的情况下有机会通过v6长期共振成为越火小行星;在考虑YORP效应的情况下,311P/PANSTARRS在2 Myr时标内可达到自转周期分裂极限;在考虑Yarkovsky效应及YORP效应等因素的情况下,311P/PANSTARRS在10 Myr时标内仍可保持其动力学稳定性,且YORP效应不会显著影响其半长径偏移量.

基于碳质球粒陨石的小行星水蚀变光谱学研究

针对未来对富挥发分小行星的遥感探测需求,开展了对碳质球粒陨石水蚀变的光谱学研究。分析了15个不同蚀变程度的碳质球粒陨石的1~20μm红外光谱特征与岩石学性质,总结了水蚀变过程的光谱变异规律。结果表明:随着蚀变程度加深,指示层状硅酸盐与水分子的3μm吸收带与仅指示水分子的6μm吸收带的强度均加深,吸收中心均向短波方向移动。碳质球粒陨石的3μm吸收带随蚀变程度增加而变得尖锐,吸收带光谱形态与蛇纹石类矿物3μm吸收特征类似,而6μm吸收带形态随蚀变程度增加无明显变化。硅酸盐矿物在9~14μm特征区光谱形状也随蚀变程度增加而改变,12.4μm/11.4μm反射率比值减小,这是由于无水硅酸盐转化为层状硅酸盐。光谱变异规律未来可应用于探测小行星表面物质成分与演化历史。

近地小行星轨道误差的统计分析

精确确定近地小行星轨道是近地天体监测预警工作的重要部分之一,然而由于观测弧长、观测精度以及力模型的制约,不同目标存在不同的轨道误差,基于JPL(Jet Propulsion Laboratory)小天体数据库中3万多颗近地小行星的轨道数据,对其轨道根数误差开展了统计分析研究。发现近地小行星轨道半长径误差存在双峰分布现象,且产生的原因与观测弧段的分布有关。研究了半长径误差与观测弧长的关系,得到了拟合优度达0.90的回归方程,进一步将绝对星等参数考虑在内,采用BP(Back Propagation)神经网络训练方法对观测始末时间跨度、轨道周期、绝对星等。半长径误差搭建了参数训练网络,该方法使得拟合优度进一步提升至0.96,能够快速合理地对近地小行星半长径误差进行评估。此外,对比了观测弧长对半长径误差、偏心率误差、倾角误差的影响,发现3者随观测弧长增加的改进程度存在差异,最后,还对比分析了半长径与轨道倾角误差分布随轨道倾角的变化,发现倾角误差分布特征与观测精度的选择效应有关。这些统计分析工作有助于增加对近地小行星轨道误差分布规律的认识,为进一步改进近地小行星轨道精度提供参考。

基于中国中东部多站流星雷达的二维风场观测研究

全天空流星雷达广泛应用于中间层-低热层大气水平风场的观测,为研究该区域大气风场的变化特征提供了重要数据支持.目前流星雷达主要采用单站观测模式,没有水平分辨率,并且只能探测流星区域的大气平均水平风场.为了得到更加丰富且精准的中间层-低热层大气风场信息,本研究介绍了建设在中国安徽地区的多站流星雷达系统,该系统包括安装在蒙城(33.36°N,116.49°E)的一台单站流星雷达和长丰(31.98°N,117.22°E)的一台远程接收机,两地直线距离约为167 km.相比于单站流星雷达,多站流星雷达系统探测到的前向散射流星数目增加了约70%,并且一般可以提供400 km×400 km以上的水平观测区域.除此之外,多站流星雷达系统还可以提供更加丰富的流星观测角度.新多站系统可以实现中间层-低热层大气二维水平风场的观测,在获取平均水平风场以及风场水平梯度的同时,还可以估计水平风场的散度、相对涡度和拉伸、剪切形变信息.多站流星雷达能够提供更多的水平风场参数,对进一步研究中间层-低热层区域的大气动力学过程具有重要意义.不仅如此,未来即将建成的多站流星雷达观测网将会实现中国中东部地区上空的中间层-低热层大气高时空分辨率的三维风场观测,这将有利于促进我们对中间层-低热层区域内的各类波动过程的理解.

行星轨道动力学在动能撞击在轨处置中的具体应用

行星轨道动力学在行星防御在轨处置空间任务中具有重要的作用。对于其中的动能撞击实验任务,无论是前期的效果仿真,还是后期的数据处理,近地小行星的高精度轨道推演都将提供基础的保障作用。基于太阳系动力学模型的小行星历表将提供近地小行星的轨道瞬时位置,为计算工程指标之一——小行星轨道偏离量提供重要支撑。本文首先给出了小行星历表通用的动力学模型,讨论了各摄动因素造成的量级影响。之后利用上述模型,针对具体假设案例,分别从小行星历表精度、撞击时刻及方向、可观测性和威胁改变四个方面对撞击效能及工程的可实施性做了综合评估。

近地小行星碰撞概率计算方法

近地小行星监测预警和危险评估已成为国内外研究的热点,而小行星碰撞概率则是评估近地小行星威胁程度的关键因素。回顾了近地小行星碰撞概率研究和发展历程,介绍了计算近地小行星碰撞概率的理论框架和主要工具,详细阐述了目前主流的线性和非线性碰撞概率计算方法,同时梳理了在极短弧资料轨道、非引力效应等特殊条件下近地小行星碰撞概率计算效率和采样完备性等方面的最新研究进展。最后基于对上述研究现状的分析,展望了该研究方向的关键问题和未来的发展趋势。

基于PSP观测的行星际Ⅲ型射电爆发的研究进展

与太阳射电爆发相比,通常认为频率较低的行星际射电爆发产生于远离低日冕的行星际空间.地球电离层的截止导致地基设备无法对其进行观测.美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)发射的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe,PSP)是迄今为止距离太阳最近的空间探测器.其搭载的射电频谱仪能够对10 k Hz-19.17 MHz频段范围内的射电辐射进行观测.PSP能够靠近甚至可能穿越行星际III型射电爆发的辐射源区,因此使用PSP对行星际射电爆发进行观测具有前所未有的优势.简要介绍了目前为止使用PSP的射电观测数据对行星际III型射电爆发的多方面研究,包括爆发的发生率、偏振、散射、截止频率、可能的辐射机制和相关的辐射源区等方面的研究进展,并讨论了其未来的研究前景.

机器学习在矿物结构搜索及性质预测方面的应用

研究矿物在高温高压下的结构及其物理、化学性质是了解地球内部物质组成及动力学演化的基础。实验观测和理论计算是目前最主要的两种方法,前者受技术的局限,高温高压下的数据点比较匮乏;后者容易实现高温高压,但计算精度和效率往往难以两全。基于上述问题,机器学习作为一种很有前景的工具,与第一性原理计算相结合,能够精确、高效地预测矿物结构及各种性质。本文首先介绍了构建机器学习势的一般流程,对目前应用广泛的深度势能方法进行详细阐述。然后探讨了机器学习方法在计算矿物物理领域中的应用,如矿物新相结构搜索、热力学性质和输运性质预测、元素配分及同位素分馏等,并分析了机器学习方法相比于传统方法的优势。最后对机器学习方法目前存在的不足进行了简单总结并对其应用前景提出展望。

空间风化对C型小行星的光谱影响研究概述

C型小行星主要由硅酸盐矿物和含碳有机质组成,保存了太阳系形成初期的原始物质,是认识太阳系形成初期的重要物质,对研究水和生命起源与演化具有重要科学意义。目前对小行星物质组成的认识主要基于光谱特征分析,但长期的空间风化作用会改变小行星表面物质的光谱特征,所以认识小行星的物质组成需要准确厘清空间风化对光谱的影响。随着中国小行星探测工程的推进,迫切需要深入认识C型小行星的光谱特征及对空间风化的响应规律。为此,分析了C型小行星的反射率、水和有机质吸收等光谱特征以及空间风化的影响,提出研究存在的主要问题,进而指出了该研究方向的未来发展趋势和研究重点。

针对低银样品的高精度银同位素分析方法

银(Ag)是元素周期表中第五周期ⅠB族元素,曾作为货币在全球范围内广泛使用,因此其流通记录可以揭示人类历史文明的演化进程(Desaulty et al.,2011;Desaulty and Albarede,2013)。在部分熔融过程中,Ag和Cu展现出相似的化学性质,但二者对S的结合能力却有所不同,这使得Ag/Cu值成为地壳演化过程的一个重要指标(Chen et al.,2020)。

基于半球形瞬时撞击坑的近地天体撞击诱发海啸的深水波模型

采用初始扰动为半球形瞬时撞击坑作为初始条件,建立了近地天体撞击诱发海啸的深水波模型,应用到特定情形下(小行星直径为140 m、撞击速度与密度采用车里雅宾斯克陨击参数、撞击区域平均海洋深度采用太平洋平均水深4 km)研究了近地天体撞击海洋诱发海啸的波高最大值随距离和时间的演化情况.对比不同的瞬时撞击坑模型和传播模型对海啸波高的影响发现:半球形瞬时撞击坑诱发的海啸危害比抛物形瞬时撞击坑更大;相对于深水波模型,浅水波模型给出撞击诱发海啸的规模较大;对于中等尺寸(直径在几百米范围内)的小行星,研究其撞击海洋诱发海啸,更适合采用瞬时撞击坑形状为半球形的深水波模型.

金属稳定同位素示踪关键金属的运移和超常富集

关键金属矿产对于国家经济和安全意义重大,然而其富集机制仍然存在争议,即受控于岩浆的结晶分异作用还是热液流体作用。传统的地球化学手段只能间接制约成矿物质的来源,难以区分分离结晶和岩浆热液作用对成矿的影响,而Rb、Ba、Sr、U等流体活动金属的同位素体系则对这两种机制具有不同的响应。笔者分别对喜马拉雅和华南地区的富关键金属花岗岩进行了Rb和Ba同位素研究,结果表明,当矿物结晶时,残留熔体中Ba同位素变重,Rb同位素不变;而当岩浆热液作用时,花岗岩中Ba同位素变轻,Rb同位素变重。此外,深部岩浆出溶的热液流体对亲流体易迁移的关键金属元素的富集具有重要贡献。上述研究表明,金属稳定同位素(尤其是流体活动金属的同位素)对于示踪岩浆-热液作用和成矿流体来源具有非常好的效果。

蚀变洋壳的金属稳定同位素研究进展

蚀变洋壳在形成过程中会经历热液蚀变和低温风化,是高温和低温地质系统耦合的产物。通过研究蚀变洋壳的化学组成,可以反演热液对洋壳的改造。结合海水及地幔衍生岩浆岩的研究,可以制约地球内部岩石圈与外部水圈间的化学循环。随着质谱分析技术的发展,诸多金属稳定同位素体系开始应用于蚀变洋壳的研究。金属稳定同位素的分馏受到地质过程中物理和化学条件的控制,因此金属同位素可以反演水岩相互作用的历史。前人已对蚀变洋壳的Li、Mg、Ca、Cu、Zn、K、Fe、V和Si的同位素特征进行了初步研究。目前取得的认识有:流体活动性强的元素(如Li、Mg、Ca、Si和K)的同位素组成受到温度和水岩比的控制;变价的过渡族金属元素(如Cu、Fe和V)的同位素分馏效应受到氧逸度的控制。随着研究的深入,金属同位素的应用将为探讨蚀变洋壳的形成与演化、洋壳–海洋–地幔相互作用过程提供更多重要的信息。

利用钒同位素来确定月球形成物质的比例

经典碰撞模型是目前解释月球形成过程的最广为接受的假说,其要求一个约火星大小的撞击体Theia与吸积最后阶段的原始地球相撞,且月球主要来自撞击体Theia。然而关于撞击体对于月球质量贡献的百分比仍缺乏精确的制约。该研究采用地幔橄榄岩和科马提岩的高精度测量数据,用于重新评估硅酸盐全地球(BSE)的V同位素组成,相比之前的研究,新的数据表明δ^(51)V_(BSE)=-0.91‰±0.02‰(2SE,n=18)。将其重新代入到地月双组分混合模型中,考虑了一个包含撞击前(原地球、Theia)和撞击后(地球、月球、逸出物质)成分的系统,得出现今月球中Theia的质量分数的最佳估计为M_(Theia)=0.8*M_(Mars)时的73%到M_(Theia)=0.45*M_(Earth)时的83%。这与先前的研究相比,降低了对Theia在月球形成中的贡献度约5%。这一结果为经典碰撞模型提供了更可靠的参数,有助于深化对月球形成过程的理解。

巴罗型变质作用的地质特征及其构造启示:以苏格兰高地和喜马拉雅造山带为例

巴罗型变质带是汇聚板块边缘富铝泥质岩在中等地温梯度下变质作用的产物,广泛分布于全球各造山带。虽然不同地区的巴罗型变质带具有相似的矿物组合和变质温压条件,但在特征矿物变质带的空间分布上却存在显著差别。苏格兰高地出露了典型的巴罗型变质带,而喜马拉雅造山带则出露了反转的巴罗型变质带。这两类巴罗型变质带记录了不同的变质和构造演化过程,是对比研究碰撞造山带温压结构和动力体制的时空演化及其地球动力学机制的天然实验室。本文以苏格兰高地和喜马拉雅造山带为例,比较了典型的巴罗型变质带和反转的巴罗型变质带的岩石学与年代学特征,并探讨了它们的形成机制。这两个地区的研究各具特色:苏格兰高地的研究主要聚焦于加热机制,强调软流圈地幔及其派生岩浆等外部热源对巴罗型变质带形成的关键作用;而喜马拉雅造山带的研究则主要关注构造过程,强调逆冲断层的顺序式活动对反转的巴罗型变质带形成的控制作用。进一步,本文将研究视角从巴罗型变质带拓展至巴罗型变质作用,综合考察其加热机制和构造背景,并探讨这对碰撞造山和地壳再造过程研究的启示。

近地小行星极短弧定轨的进化算法研究

近地小行星的巡天项目不断涌现,得到了海量的观测数据.而巡天观测方式使获得的数据弧段过短,传统方法在定轨和识别上存在极大困难,加之短弧定轨问题本身的病态性,如何有效利用这些短弧数据对于发现、监测和评估小行星的威胁具有重要意义.在进化算法下构建极短弧定轨的计算框架,选用三变量的(a, e, M)优选法,保持维数较低的同时,使优化结果不再依赖观测量.采用参数较少、操作简便的差分进化算法,利用不同偏心率小行星的轨道模拟数据进行试验,对获得的最优解及其分布聚集区域进行分析,大偏心率轨道由于其本身的复杂性,会对算法搜索的灵敏度产生影响,需缩小搜索空间以提高搜索能力.结果表明算法在小偏心率问题中表现较好,可以得到有效结果为后续工作提供参考信息,大偏心率问题在传统方法失效的情况下,虽然最优解在整体分布中并不明显,但分布仍包含真实解,可结合分布密度和适值大小进行分析.未来需要对大偏心率问题作进一步研究,考虑其观测位置和观测时刻对算法产生的影响,分类计算.

小行星表面有机物的红外光谱探测方法

小行星的有机物记录了太阳系早期有机物的形成发展历史,为地球早期生命前体出现的研究提供了重要依据,对于研究生命起源和演化具有重要意义。本文综合分析了小行星表面可能存在的有机物成分、种类及其赋存状态,利用红外光谱开展地面模拟实验,探讨有机物的红外光谱特征及其影响因素。结果表明,不同类型有机物的红外光谱特征与其类型、结构、温度和压力等有关。研究确定了小行星表面主要有机物的红外光谱识别标志,初步提出了小行星有机物红外光谱探测仪器的基本指标参数。

地幔的Ba同位素地球化学

钡(Ba)是大离子亲石碱土金属元素,也是流体活动元素。Ba在地幔熔融过程中高度不相容,因此在地壳中含量远高于地幔。Ba同位素在低温环境和流体作用下可发生显著的分馏,而在高温基性和中性岩浆过程中分馏有限。因此,近年来Ba同位素得到了越来越多的关注,成为示踪地壳物质俯冲再循环的新工具,特别有助于鉴别流体和沉积物对地幔的影响。准确获取上地幔Ba同位素组成是开展应用研究的前提,目前关于地幔Ba同位素组成的研究很少,还存在很大的争议。本文对Ba同位素分析方法、分馏机理和重要地质储库的组成进行了总结。本文重点讨论了幔源岩浆岩的Ba同位素变化,以及岩浆岩和变质岩中的Ba同位素分馏行为及潜在应用,并对当前存在的问题及未来的研究方向进行了展望。

近十年中国同位素效应理论和计算研究进展

近十年来,国内稳定同位素地球化学的理论解释已普遍达到了量子化学水平。基于精密的量子化学从头或第一性原理,研究者们开始了平衡和动力学分馏系数的计算。在同位素的分析测试、野外观察、理论和计算四个方向上,国内在理论和计算方向的发展可能还算最好的,整体处于国际第一方阵的地位。国内学者率先发展了超冷体系同位素分馏、含压力效应的同位素分馏、同位素的浓度效应、团簇同位素、微小同位素异常、热梯度下同位素扩散效应、高温重复过程等方向的同位素理论和计算方法,也发展了针对固-液两相同位素分馏的可变体积的分子簇(VVCM)计算新方法、针对重金属同位素固相体系的含核体积效应处理的方法,以及针对熔体中同位素扩散的动力学分馏的理论和计算方法。同时,还为大量不同的非传统(金属)同位素体系,提供了大量的平衡分馏系数,为这些同位素体系的日后深入应用奠定了较好的基础。但是,在这些成果中,真正由我国学者首先提出的原始概念、模型、体系和方法还很少,绝大多数都是对前人(主要是国外同行)提出的理论体系和新兴发展方向的修改和补充。未来我国同位素理论和计算领域应率先使用包含量子场论在内的新一代理论工具,在同位素效应的新方向、新概念的提出和新理论的建立方面,做出更多的贡献。