星光掩星剥洋葱法反演臭氧密度

星光掩星技术探测恒星光经大气层消光、折射等作用后的恒星光光谱,利用大气中不同成分对不同波长的光吸收的差异反演得到大气密度信息。低轨卫星与恒星分别位于地球两侧,低轨卫星接收到不同切线高度上光谱,即构成星光掩星观测。光谱探测高度可从平流层至低热层,其中不同波段可用于不同大气痕量成分密度反演。星光掩星技术具有探测参数多、全球覆盖、垂直分辨率高、无需定标等优点。GOMOS(global ozone monitoring by occultation of stars)是搭载在欧洲航天局ENVISAT卫星上的平流层臭氧检测仪器。GOMOS利用星光掩星技术进行探测,设计精密,分辨率高,在轨稳定运行十年(2002年—2012年),探测波长跨越紫外到可见光波段,采用光谱反演和垂直反演迭代的方法反演大气成分密度,得到了大量关于临近空间区域大气资料,对长期监测平流层至低热层区域变化提供了可靠的数据支持。利用GOMOS掩星数据,提出一种简单的反演方法——剥洋葱法,反演临近空间高度上臭氧数密度。剥洋葱法假设地球大气对称且水平分层,利用单个波段光谱进行反演,假设在此波长上光谱的大气吸收效应全部由臭氧造成,即选择臭氧吸收占据绝对优势的波长。经分析,在50~100 km高度上可以利用290 nm波段进行反演,在15~50 km高度上可以利用600 nm波段进行反演。根据Beer-Lambert定律,随切点高度自上而下,对恒星光光谱透过率利用剥洋葱法进行反演得到臭氧数密度。将剥洋葱法反演结果与GOMOS官方发布结果相对比,两者符合得很好。

星光掩星探测技术的轨道模拟结果分析

星光掩星技术是利用恒星光谱进行地球及其他行星大气痕量成分密度、温度、气溶胶等测量的有效手段。该探测原理主要是根据不同的大气成分在恒星光谱的不同位置上表现出不同的吸收特征,具体表现在:紫外波段可进行臭氧、氧气、氢气等的测量,可见光谱段可探测二氧化氮、三氧化氮、氧气等,红外可探测水蒸气、气溶胶、甲烷、二氧化碳、氧气等。星光掩星的实现过程为:当LEO卫星和恒星分别位于地球的两侧时,恒星发射的光经过地球大气的吸收、散射等作用,被另一侧的LEO所接收,即构成掩星观测。根据光谱流量得到恒星的视星等范围,给出恒星在天球坐标系中的分布和不同的光谱型,以及利用各光谱型可探测的大气成分,再利用恒星和LEO卫星在地固坐标系中的相对位置,进行恒星-LEO星光掩星轨道观测模拟,基本流程为:首先读取LEO卫星的轨道位置以及目标恒星的位置,设置24 h的模拟时间,其次判断是否处于掩星状态,当掩星开始时,计算并输出掩星发生的经纬度、速度等,直至模拟时间结束。其中涉及恒星从天球坐标系转换到地固系的过程, LEO卫星轨道、掩星切点经纬度等的计算。根据模拟流程,计算并分析掩星事件的日观测量、全球分布、持续时间以及漂移速度等,得到以下结果:(1)目标恒星在全天区都有一定数量的分布且具有不同的光谱型,可进行臭氧、二氧化氮等成分的探测;(2)在对星光掩星进行24 h的轨道模拟过程中,日观测量为5 563次,其中包括2 737次上升掩星, 2 826次下降掩星;(3)从全球分布来看,掩星事件主要分布在低纬度,两极最少,其他纬度数量相当,且经度方向分布均匀;(4)根据方位角的分布,正常掩星占比为78.25%,持续时间平均为1.5 min,切点水平漂移在18~600 km;(5)21.75%的侧面掩星事件,其较正常掩星来说,持续时间长,切点的水平漂移速度大,方位角变化也大。该结果为卫星轨道设计和探测载荷设计提供理论指导。

临近空间星光掩星技术的初步应用

大气星光掩星技术可以探测获得行星大气多种痕量成分密度等信息,该技术基于大气光谱透过率来进行探测。根据星光掩星探测原理建立了掩星工作模型,初步分析了气体分子光谱吸收特征,获得了多种大气成分的透过率,利用大气透过率反演得到了大气成分密度,并与大气模式MSISE-00结果进行比较验证。进一步对光谱的信噪比和相对误差进行了估计,并讨论了恒星的不同视星等对探测信噪比和相对误差的影响,由此给出目标星视星等的范围。初步结果表明:利用视星等在-1.45~3.55范围内的目标星作为光源进行探测,信噪比在100以上,且测量的相对误差最小可达到1%。以上结果为地球临近空间高度上星光掩星探测的开展提供了初步的理论指导。

基于三维射线追踪和HITRAN数据库的透过率仿真计算

星光掩星技术中,利用三维射线追踪方法模拟从地面到110 km高度红外辐射在大气中传输的路线。其中,设置频率为3.95×10^14 Hz,地球形状为椭球状,模型为中性大气,且已知在地固系中目标恒星的三维位置坐标和低轨卫星轨道数据。再利用HITRAN数据库中高分辨率的氧分子吸收线参数,包括吸收线强度、低能态能量等,以天狼星的红外光谱作为原始的接收光谱,即去除地球大气的吸收散射等的作用,光谱能量随着波长的增大而降低,计算接收光谱在近红外氧气分子吸收A带(755~774 nm)的透过率。考虑到仪器小型化,选择氧气的特征吸收谱线760和762 nm,计算两谱线位置的大气透过率随高度的变化,并通过透过率计算接收光谱的信噪比,进行仪器设计的指导。另外,由于大气折射作用,必须将所得透过率进行折射修正。通过仿真计算可知:利用近红外波段755~774 nm,计算了80, 100和110 km三个高度的大气透过率,其随高度的逐渐增高而趋近于1。相比0.2 nm光谱分辨率, 0.1 nm分辨率条件下大气透过率的变化范围更大,为0.28~1,在110 km透过率为0.987,且探测的精确度可小一位。折射引起的透过率在60 km以上等于1,因此60 km以上可以忽略大气折射对大气透过率的影响,无需进行折射修正。利用760和762 nm的特征吸收线,得到光强度信噪比均大于100,且当分辨率为0.1 nm时,光强度信噪比的值更小,说明氧气对光谱的吸收作用更强。两种分辨率条件下所得相邻两高度的光子数变化量差别不大且大于1。最后,根据以上结果,可确定望远镜、 CCD、光谱分辨率、积分时间等参数,用以研究和测试星光掩星的反演算法,形成探测氧气从地面到110 km高度数密度变化的小型化仪器,也可预先分析探测误差等。