近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所光學(xué)遙感中心遙感信息表征技術(shù)研究室在金星云和霾的微物理特性表征與反演能力評(píng)估方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以《基于 SPICAV IR 和 Venspec-H 儀器偏振波段的金星云和霾信息量分析》為題發(fā)表在國(guó)際知名行星科學(xué)期刊ICARUS上。

金星厚重的云和霾層是研究金星能量平衡和大氣環(huán)流的重要對(duì)象。如何通過(guò)強(qiáng)度和偏振觀(guān)測(cè)精確反演云和霾粒子的半徑、濃度和折射率等微物理參數(shù)，是當(dāng)前金星探測(cè)任務(wù)和未來(lái)載荷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

為此，研究團(tuán)隊(duì)基于 PyMieDAP 矢量輻射傳輸模型，構(gòu)建了分層金星云和霾的大氣結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)多種觀(guān)測(cè)情景，通過(guò)微擾法計(jì)算雅可比矩陣，定量評(píng)估強(qiáng)度與偏振觀(guān)測(cè)對(duì)不同高度、不同波長(zhǎng)下氣溶膠參數(shù)的敏感性。結(jié)果表明：強(qiáng)度觀(guān)測(cè)對(duì)金星下層云的微物理參數(shù)（如粒子有效半徑、柱密度）更為敏感；而在小相位角條件下，偏振觀(guān)測(cè)主要受單次散射主導(dǎo)，對(duì)上層云和霾粒子特性更加敏感，有利于約束其粒徑和折射率。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)引入“信號(hào)自由度”（Degrees of Freedom for Signal, DFS）指標(biāo)，對(duì)不同觀(guān)測(cè)模式和幾何條件下的反演信息量進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)：由單一強(qiáng)度觀(guān)測(cè)擴(kuò)展為強(qiáng)度–偏振聯(lián)合觀(guān)測(cè)后，整體 DFS 提升約 3，表明加入偏振觀(guān)測(cè)可額外反演多項(xiàng)關(guān)鍵云和霾參數(shù)；在聯(lián)合觀(guān)測(cè)模式中進(jìn)一步引入 VenSpec-H 儀器的近紅外波段后，上層云參數(shù)及折射率實(shí)部對(duì)應(yīng)的 DFS 繼續(xù)增加，顯示納入VenSpec-H 儀器的潛在偏振波段可提升上層云參數(shù)和折射率的反演精度。此外，不同云層參數(shù)對(duì)應(yīng)的最佳觀(guān)測(cè)幾何（相位角范圍）并不相同，為未來(lái)任務(wù)觀(guān)測(cè)幾何的優(yōu)化選擇提供了量化依據(jù)。

研究還系統(tǒng)分析了光譜波段和儀器誤差對(duì) DFS 的影響。結(jié)果顯示，應(yīng)在 650 nm 至 2.5 μm 多個(gè)氣溶膠窗口波段合理配置強(qiáng)度與偏振通道，并在聯(lián)合觀(guān)測(cè)模式下保持較高的偏振度和輻亮度觀(guān)測(cè)精度，以顯著降低反演不確定性。該工作從信息量角度給出了波段配置、觀(guān)測(cè)幾何與精度指標(biāo)之間的權(quán)衡關(guān)系，為未來(lái)金星探測(cè)任務(wù)中偏振成像儀與近紅外光譜儀的設(shè)計(jì)提供重要參考。此外，該研究為深入理解金星云和霾的垂直結(jié)構(gòu)和微物理特性、優(yōu)化行星大氣遙感載荷方案提供了新思路，也為太陽(yáng)系其他類(lèi)地行星大氣的偏振遙感研究提供了有益借鑒。

博士研究生李宜奇為論文第一作者，孫曉兵研究員為論文通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.icarus.2025.116905

金星云和霾分層建模示意圖

在觀(guān)測(cè)場(chǎng)景 S1–S4 下，各參數(shù)的平均 DFS 與波長(zhǎng) (650 nm–2460 nm) 的關(guān)系