类地行星低阶重力场、自转与内部圈层结构研究进展

低阶重力场和自转参数是类地行星内部结构的函数且指示着其物质成分与演化,一直是深空探测的首要目标.行星自转状态能够直接揭示行星核的密度和大小.随着深空探测数据的逐渐积累和精度的不断提高,低阶重力场和自转观测在行星内部结构,尤其是行星核方面的研究取得了一系列重要进展.本文首先介绍行星主惯性矩张量的基本理论与计算方法,接着介绍行星自转动力学基本理论以及与行星内部结构密切相关的行星自转简正模,并介绍利用低阶重力位系数求解行星主惯性矩张量的方法.本文还总结了利用有限的自转观测和低阶重力场观测确定行星平均密度和平均惯性矩的研究现状,以及反演行星内部结构的基本方法.最后,本文对目前利用低阶重力场、自转观测反演行星和小行星等内部结构方面存在的问题进行了总结与展望,希望为我国未来的深空探测计划提供科学参考与理论支持.

根据人卫激光测距、GRACE和地球物理模型求解地球低阶重力场季节变化

利用2002年4月至2010年10月的Lageos1和Lageos2激光卫星观测数据、GRACE以及地球物理模型3种独立的方法计算地球低阶重力场系数J2的变化ΔJ2,其中大气变化的贡献分别按反变气压计(IB)和非反变气压计(NIB)两种假设进行计算。通过分析ΔJ2的季节特性可得:①在NIB假设下大气质量变化引起的J2变化的周年振幅比其在IB假设下引起的ΔJ2变化的周年振幅大3倍左右,相位相差47°;②大气和陆地水的质量变化对ΔJ2周年变化的贡献占主导地位,海洋的影响较小;③大气、海洋和陆地水质量变化引起ΔJ2半年振幅和相位值与SLR得到的振幅和相位值吻合较差,尤其是在IB假设下大气得到的结果与SLR结果相差更大;④SLR、GRACE和地球物理模型3种独立方法得到的ΔJ2周年项之间吻合相对较好。GRACE得到的周年振幅比SLR得到的周年振幅大50%左右,SLR观测得到的ΔJ2周年振幅介于在NIB和IB两种假设下地球物理模型得到的结果之间,GRACE与SLR得到的ΔJ2半年的振幅相同。

低重力环境下静力触探贯入机理离散元分析

采用离散元法对月面及地面跨度范围内重力场环境(1/6g,1/2,1g)下静力触探机理进行了分析,以弄清地面试验与月面试验的区别。模拟结果表明:1同一相对贯入深度处,重力加速度越小,贯入阻力越小,归一化贯入阻力越大;2土体变形形式由隆起变形向竖向压缩变形的转化深度随重力加速度的增加而减小;3同一相对贯入深度处,随重力加速度的增加,特征点的竖向隆起位移减小,竖向压缩位移增大,对应土体颗粒的侧向位移也越大;4重力加速度越小,相同相对位置处土体的加卸载现象越明显;5重力加速度越大对应相同相对贯入深度处的土体破坏范围愈大。

基于火星快车飞掠数据的火卫一低阶重力场反演

精确的火卫一(Phobos)重力场模型可为其内部结构建模提供重要的约束,深入地了解火卫一内部结构将为解释其起源与演化以及太阳系的演化提供重要的依据.目前火卫一的重力场模型还未精确测定.为了获得火卫一低阶重力场模型,首次综合处理了火星快车号(Mars Express)在2010和2013年两次飞掠火卫一的多普勒轨道跟踪数据.在解算过程中,通过对探测器各种摄动力模型的高精度建模,融合两次飞掠数据,最终获得的火卫一GM为(7.0768±0.0084)×10~5m^3/s^2,C_(20)系数为-0.1370±0.0392,C_(22)系数为0.0184±0.0174,其值与火星快车MaRS射电科学团队公布的结果相吻合,精度提高了2–3倍.由GM求得的火卫一质量m为(1.060±0.0011)×10^(16)kg,结合形状模型确定的火卫一体积(5742±35)km^3,计算出火卫一的体密度为(1847±11)kg/m^3.

基于GRACE卫星数据的低阶重力场时变分析

为了分析地球低阶重力场的时变规律,分别利用GFZ和CSR处理的从2003年到2012年十年间的GRAC_E卫星数据,对其低阶位系数C_20、C_21、C_22、C_30、C_40、S21和S22分别构造时间序列并进行时变分析.运用小波分析探测其时间序列的周期特征,发现C_20、C_21、C_22和C_40具有明显的周年和半年周期,C_30、S21和S22也具有明显的周年周期和不明显的半年周期,GFZ和CSR两者的结果基本一致.利用交叉小波和小波相干谱分析得到GFZ和CSR处理的结果在周年周期内具有很强的相关性,在半年周期内相关性降低.

不同时期地球低阶重力场系数J2变化的特性分析

基于1984年1月至2010年12月共27年的Lageos1和1992年10月至2010年12月共18年的Lageos2激光卫星最新观测数据,应用高精度的卫星观测拟合卫星统计动力学轨道方法反演地球低阶重力场系数2J的变化,分析其不同时期的季节和长期变化特性.结果表明2J变化包含明显的周年、半周年和长期变化信号.通过采用不同数据段拟合得到的2J变化周年和半周年振幅和相位结果较稳定,利用全部数据段得到的2J周年振幅以及相位分别为2.51010,127°,半周年振幅和相位分别为0.941010,213°.对于长期变化,全部数据段拟合得到的长期变化为2.21011a1,然而不同数据段得到的结果因为受到几年尺度的异常变化影响会有所不同,例如＂1998异常＂.最新的数据分析表明2007~2010年期间又可能有明显的异常变化,虽然对应这一变化的地球物理解释目前尚不清楚,但从实测角度监测地球＂胖瘦＂提供观测约束具有重要意义.