中國自主木星冰衛(wèi)星冰下液態(tài)海洋探測芻議

徐曦煜，朱 迪，楊雙寶

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

1 引 言

2018年7月25日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》上發(fā)表了來自意大利科學(xué)家Orosei等[1]的論文，宣布在火星南極的冰層下方發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水，這是國際上近年來最激動人心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。木星南極的液態(tài)水是由歐洲航天局（European Space Agency，ESA）于2003年6月發(fā)射上天的“火星快車”（Mars Express）環(huán)繞探測器上搭載的火星先進(jìn)次表層和電離層探測雷達(dá)（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding，MARSIS），在 2008年開始收集發(fā)現(xiàn)的異常雷達(dá)回波信號進(jìn)行回波增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)其有強(qiáng)烈的液體回波特征；在仔細(xì)排除了液態(tài)二氧化碳等其它可能性之后，判斷這樣的回波大概率對應(yīng)于液態(tài)水。液態(tài)水的存在為生命的存在提供了可能性，也證明了行星次表層探測的重要價值。

木星是太陽系最大的行星，也是離太陽最近的氣態(tài)行星。木星主要衛(wèi)星中有3顆表面被冰所覆蓋，稱之為冰衛(wèi)星（包括：“木衛(wèi)2”-Europa、“木衛(wèi)3”-Ganymede和“木衛(wèi)4”-Callisto），目前已有的證據(jù)表明，“木衛(wèi)2”很可能擁有“宜居帶”。因?yàn)榭赡艽嬖谝簯B(tài)水和生命，木星冰衛(wèi)星（尤其是“木衛(wèi)2”）在整個太陽系中有非常獨(dú)特的探測價值，也是當(dāng)前國際上深空探測最前沿、最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。原因主要有：①水是理解木星冰衛(wèi)星地質(zhì)演化史的關(guān)鍵；②水是探尋木星冰衛(wèi)星是否存在過生命的重要線索；③水的發(fā)現(xiàn)是未來載人探木甚至在木星冰衛(wèi)星上建立基地時的戰(zhàn)略儲備。

美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于 1989年 10月 18日升空發(fā)射的Galileo 木星探測器收集的引力和磁場數(shù)據(jù)表明，“木衛(wèi)2”等木星冰衛(wèi)星中覆蓋著一層較厚的水質(zhì)外殼（其中“木衛(wèi)3”和“木衛(wèi)4”的外殼比“木衛(wèi)2”厚得多），但目前的衛(wèi)星數(shù)據(jù)還不能完全斷定該外殼是純固態(tài)的還是部分液態(tài)的（液態(tài)水在冰下存在的概率還是較高的）。美國國家航空航天局在2006年發(fā)布的《太陽系探測路線圖》白皮書[2]中指出：木星的冰衛(wèi)星（如“木衛(wèi)2”）的探測是繼火星探測之后優(yōu)先級最高的太陽系探測目標(biāo)，“任何‘木衛(wèi)2’探測任務(wù)的基本科學(xué)目標(biāo)都應(yīng)該是確定其次表層液態(tài)水海洋的存在性以及確定表層覆蓋冰的成分和物理性質(zhì)?！?/p>

2 國外木星冰衛(wèi)星次表層探測發(fā)展現(xiàn)狀綜述

由于木星冰衛(wèi)星最重要的科學(xué)價值之一是在其次表層可能含有液態(tài)水組成的海洋，次表層雷達(dá)也就成為木星衛(wèi)星探測最重要的載荷之一。

為了滿足對表面穿透的要求，次表層探測雷達(dá)不工作在傳統(tǒng)的微波頻段，而是在波長較長的高頻（High Frequency，HF）或甚高頻（Very Long Frequency，VHF）頻段。其天線也是以尺寸較大的偶極子（半波振子）為主。考慮到發(fā)射和運(yùn)載的需要，天線需要設(shè)計(jì)為可展開結(jié)構(gòu)，也是重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。

NASA 計(jì)劃于2025年發(fā)射的“歐羅巴快艇號”（Europa Clipper）探測器和歐空局計(jì)劃于2022年發(fā)射的“木星冰衛(wèi)星”（JUpiter ICy moon Explorer，JUICE）探測器上都有次表層雷達(dá)，前者的次表層雷達(dá)為“木衛(wèi)2”評估和探測雷達(dá)，從海洋到近表層（Radar for Europa Assessment and Sounding Ocean to Near-surface，REASON）；后者的雷達(dá)為“冰衛(wèi)星探測雷達(dá)”（Radar for Icy Moons Exploration，RIME）。圖1為 REASON 工作原理圖，圖2為 RIME 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖。

圖1 REASON工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of REASON system

圖2 RIME天線設(shè)計(jì)效果圖Fig.2 An artist view of the RIME antenna

表1為目前國外主要的行星環(huán)繞探測次表層雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)對比一覽表。表1中除了2個木星冰衛(wèi)星的探測計(jì)劃之外，還包括了2 個火星探測器：MARSIS和“淺層雷達(dá)”（SHAllow RADar，SHARAD）的系統(tǒng)參數(shù)。這些探測器的設(shè)計(jì)有若干共同之處，如信號形式均為線性調(diào)頻信號，天線形式均為偶極子天線等，這些載荷之間也是互補(bǔ)的關(guān)系，如“火星探測雷達(dá)”中，SHARAD 的載頻和帶寬較高，追求更高的分辨率，MARSIS 的載頻較低，且設(shè)計(jì)了多個頻段，既增加了探測的深度，又能同時完成對火星電離層的探測。REASON和RIME的區(qū)別則主要體現(xiàn)在探測目標(biāo)的分工上。前者以“木衛(wèi)2”為主要探測目標(biāo)，而后者以“木衛(wèi)3”為主要探測目標(biāo)。

3 我國自主木星冰衛(wèi)星冰下液態(tài)海洋探測的若干構(gòu)想

我國在已出版的《2016—2030年空間科學(xué)規(guī)劃研究報(bào)告》[3]中，提出了木星系統(tǒng)探測計(jì)劃。該計(jì)劃的基本科學(xué)目標(biāo)包括研究木星冰衛(wèi)星冰層形貌及厚度等。我國自主的木星冰衛(wèi)星次表層探測和國外已立項(xiàng)的項(xiàng)目相比有一定的亮點(diǎn)，才能有助于未來獲取更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

3.1 工作頻率和信號形式的考慮

目前國外的REASON和RIME兩套雷達(dá)系統(tǒng)的主頻段載頻均為9 MHz（REASON 還有1 個載頻為60 MHz的VHF工作頻段，其主要目標(biāo)是用于電離層的校正）。該載頻的設(shè)計(jì)主要是考慮到工程上天線尺寸等因素，在科學(xué)上，由于木星冰衛(wèi)星的液態(tài)水分布很深（“木衛(wèi)2”超過10 km，“木衛(wèi)3”和“木衛(wèi)4”則很可能超過80 km[4]）。為了穿透如此深的冰層，科學(xué)上更傾向于較低的探測頻率。

在科學(xué)方面，對工作頻率最主要的制約因素是電離層的影響。由于木星存在強(qiáng)烈的電磁輻射，木星冰衛(wèi)星都有著稀薄的電離層。電離層的作用可歸納為以下幾個方面。

表1 行星環(huán)繞探測次表層雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)對比一覽表Table 1 Summarization of the orbital planetary subsurface exploration radar system parameters

1）對低頻電磁波的反射作用，使得雷達(dá)發(fā)射的電磁波無法到達(dá)冰衛(wèi)星的表面。根據(jù)美國學(xué)者Grima等的研究，木星電離層有幾種特征頻率，其中最高頻分量的截止頻率為等離子體特征頻率。該特征頻率和電離層離子濃度的平方根成正比，在“木衛(wèi)2”上其典型值為：0.6～1 MHz[5]。

2）當(dāng)電磁波信號的帶寬較寬時，電離層對其產(chǎn)生的色散，即不同頻率的對應(yīng)的延遲不同，使得接收的信號在脈沖壓縮之后出現(xiàn)了“二次相位誤差”，其原理詳見徐曦煜等[6]。當(dāng)前國外現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)均為線性調(diào)頻信號，由于相對帶寬都超過了10%，電離層色散效應(yīng)帶來的誤差是無法忽略的。

3）法拉第旋轉(zhuǎn)及其旋轉(zhuǎn)帶來的測距模糊，法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)是帶電粒子對線極化波的相位產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，若相位旋轉(zhuǎn)超過360°，則意味著出現(xiàn)了測距模糊，這會對表層的高度測量和次表層深度測量帶來嚴(yán)重的影響。當(dāng)前的研究表明，載頻3 MHz 以下的信號很可能會帶來法拉第旋轉(zhuǎn)模糊效應(yīng)。

在火星探測中，MARSIS雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的液態(tài)水并未被SHARAD 雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，從某種意義上證明了低載頻體制的優(yōu)勢。載頻降低帶來的工程問題主要是天線展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此可認(rèn)真考慮探測中以3 MHz 左右為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。

由于線性調(diào)頻信號帶來的電離層色散效應(yīng)，其有效帶寬就不能太寬。REASON 中9 MHz 頻段的帶寬之所以設(shè)計(jì)為1 MHz，原因之一就是，根據(jù)仿真研究，3 MHz帶寬造成的電離層色散效應(yīng)幾乎完全抵消了高帶寬帶來的分辨率增強(qiáng)等好處。采用步進(jìn)頻率信號則可以規(guī)避該效應(yīng)的影響。對于每個脈沖，都對應(yīng)于一個單音信號，經(jīng)過電離層時不再產(chǎn)生色散。經(jīng)過不同頻率的脈沖合成的脈沖串，則同樣可以獲得較大的帶寬，進(jìn)而獲得較高的距離分辨率和測量精度。步進(jìn)頻率可設(shè)計(jì)為8個脈沖組成的脈沖串，載頻依次為3、4、5、6、7、8、9、10 MHz，周而復(fù)始。這樣的有效帶寬是REASON的7倍，還能有效規(guī)避電離層色散問題。步進(jìn)頻率體制下，天線的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也更容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 10m波和微波相結(jié)合的探測載荷配置

可以考慮采用10 m波（HF頻段）頻段和10 m波和微波相結(jié)合的探測載荷配置（如圖3 所示），有許多優(yōu)點(diǎn)：①HF 頻段盡可能探得深，到達(dá)冰、海交界面；②微波頻段采取干涉合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)的前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的表面高程、坡度和粗糙度測量，該體制的雷達(dá)高度計(jì)已在地球觀測衛(wèi)星Cryosat-2 中得到了成功驗(yàn)證，特別適合于對大范圍冰表面的觀測[7]；③該配置的最大優(yōu)點(diǎn)是其為一個有機(jī)的系統(tǒng)，微波頻段高度計(jì)對遙感目標(biāo)表面高度的跟蹤已是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的可靠技術(shù)，可通過其高精度的實(shí)時高程估計(jì)值控制HF頻段的工作時序，使其跟蹤環(huán)路對微波頻段隨動，這樣可以大大提高HF頻段雷達(dá)捕獲有效回波的成功率；④修正電離層延遲，電離層對電磁波的傳輸延遲和電磁波頻率的平方成反比，通過雙頻體制很容易估算出木星冰衛(wèi)星電離層中的離子含量，進(jìn)而對其產(chǎn)生的延遲進(jìn)行修正；⑤干涉合成孔徑雷達(dá)高度計(jì)可以同時提供木星冰衛(wèi)星表面高度和坡度的信息，這些信息對校正HF頻段雷達(dá)中非天底雜波的影響非常有用。

圖3 10 m波和微波相結(jié)合的探測配置示意圖［4］Fig.3 Schematic diagram of the configuration of the microwave and HF system［4］

3.3 主被動相結(jié)合的探測

冰的介電特性隨溫度的變化非常明顯。當(dāng)前，關(guān)于木星冰衛(wèi)星的次表層特性有若干假說，其對應(yīng)的冰的溫度隨深度分布的廓線大相徑庭，由此造成冰層衰減率，進(jìn)而有效穿透深度的估計(jì)會出現(xiàn)很大的差異。對其介電特性進(jìn)行仿真有助于對次表層雷達(dá)高度計(jì)探測能力的考察。

純水（液態(tài)或固態(tài)）的介電常數(shù)可由成熟的Derby方程進(jìn)行表征，為

其中：ε∞是無限高頻率的介電常數(shù)；εst是無限低頻率的“靜態(tài)”介電常數(shù)；τr是介電弛豫時間，靜態(tài)介電常數(shù)和弛豫時間都是溫度的函數(shù)。

純水冰是一種理想情況，通常木星冰衛(wèi)星次表層的介質(zhì)可由一種混合物來建模。在高于100 kHz的頻段，該混合介質(zhì)的介電常數(shù)可用式（2）表示[8-9]為

其中：εa是空氣的介電常數(shù)；εw是水的介電常數(shù)；εs是固體土壤的介電常數(shù)；φ是孔性（按體積算）；而水的各種形態(tài)（冰、液態(tài)純凈水和鹽水等）在孔性中所占的比例叫飽和度，記為s。

得出了介電常數(shù)，即可得電磁波在介質(zhì)中的單程衰減系數(shù)（設(shè)電磁波頻率為f）為

圖4為仿真得到的純冰的介電特性，圖4（a）為介電常數(shù)實(shí)部，圖4（b）為介電常數(shù)虛部。圖5為電磁波在冰中的衰減系數(shù)，圖5（a）為純冰，圖4（b）為含雜質(zhì)10%的冰。由圖4和5可以看到，溫度不同時，純冰介電常數(shù)的虛部有好幾個數(shù)量級的差異，進(jìn)而衰減系數(shù)也相差了好幾個數(shù)量級。在含雜質(zhì)的冰中，不同溫度衰減系數(shù)之間的差異不如純冰大，但仍是很可觀的。冰海交界處的溫度不會太低（即使考慮到鹽度的影響，也很有可能超過250 K），而冰表面的溫度為100 K左右。不同的溫度廓線特征帶來的總的衰減量的差異也非常大。若次表層均為溫度很低的純水冰，則以3 MHz 載頻估算，配以適中的發(fā)射功率，100 km 量級的探測深度也不難實(shí)現(xiàn)；若次表層冰中存在明顯的溫度躍遷或較多雜質(zhì)，則10 km的探測深度也會對發(fā)射功率、信號處理等提出很高的要求。

圖4 純冰的介電特性Fig.4 Dielectric constants of pure ice

圖5 電磁波在冰中的衰減系數(shù)Fig.5 Attenuation coefficients of the electromagnetic wave propagating in ice

從前面的分析可以看到，次表層的溫度廓線分布的信息對探測能力有顯著的影響，因此需要對溫度廓線有基本的認(rèn)識。在分層目標(biāo)的溫度廓線探測方面，微波輻射計(jì)有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。通過設(shè)置多通道的覆蓋長波到微波波段的輻射計(jì)（被動觀測模態(tài)），根據(jù)不同頻率電磁波的穿透特性的差異，有望反演出木星冰衛(wèi)星次表層冰層的溫度廓線，通過溫度廓線推估冰層介電特性的分布，有助于對雷達(dá)系統(tǒng)中回波功率和延遲等特征的解釋。被動模態(tài)的頻段可以和主動模態(tài)（雷達(dá)）的頻段復(fù)用，以提高整個系統(tǒng)的效能[10]，降低重量和功耗。

4 結(jié) 論

木星冰衛(wèi)星冰下海洋的探測是太陽系探測最熱門的問題之一，也有很多技術(shù)難點(diǎn)。本文在對國外相關(guān)探測技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)的同時，提供了木星冰下液態(tài)水海洋探測幾種新思路，并給出了一些初步的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和次表層介電特性仿真分析等結(jié)果。通過對新方法、新模式的探索，將有望對我國自主木星冰衛(wèi)星的次表層和冰下液態(tài)海洋探測起到良好的借鑒作用。

需要指出，本文的研究還處于科學(xué)需求分析階段，深空探測是高難度、高成本的系統(tǒng)工程，在工程實(shí)踐中還需要考慮很多細(xì)節(jié)問題，如體積重量功耗的設(shè)計(jì)、天線及展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)壓縮、木星抗輻射環(huán)境設(shè)計(jì)等方面，這些都是未來對系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)化和優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。