[发明专利]通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法及装置

权利要求书

1.一种通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对探测的月表温度的时间进行归一化处理，分为月表月昼温度和月表月夜温度；

S2：使用数学模型的方法将月壤的密度和热导率表示为月壤粒径的函数，使用导热方程对月表月昼温度与月壤热物理性质进行关联；

S3：把月壤粒径作为唯一自由参数，利用Go语言的高并发特性，使用高性能计算机集群模拟计算月壤温度；

S4：将模拟的夜间表面温度与探测的月表月夜温度进行拟合，找出最优月壤粒径，同时得到月壤的密度剖面、温度剖面和热导率剖面。

2.根据权利要求1所述的通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S1.1：对探测的月表温度的时间进行归一化处理，以日出时间为6点和日落时间为18点，把月球实际UTC时间转换成24小时制月球当地时间；

S1.2：将归一化后的温度数据分为月表月昼温度和月表月夜温度，其中月表月昼温度用于与月壤的热物理性质进行关联，月表月夜温度用于与模拟温度对比找出最优月壤粒径。

3.根据权利要求1所述的通过月表温度反演月壤热物理性质的并行计算方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S2.1：使用数学模型的方法将月壤的密度表示为月壤粒径的函数：

月壤在深度z处的体积密度取决于固体颗粒密度G和填充系数Φ(z)，表示为：

p(z)＝GΦ(z)

固体颗粒的密度G依赖FeO和TiO₂的丰度：

G(FeO，TiO₂)＝27.3×FeO+11.0×TiO₂+2773

月壤中深度z处的填充系数Φ(z)与压力相关：

式中，Φ₁和Φ₂分别是最小和最大填充系数；p_m是转换压力；Δ是跃迁宽度；p(z)是为深度z的压力：

p(z)＝∫₀^zρ(z)gdz

式中，g为月球的重力加速度，转换压力p_m从以下表达式中得到：

式中，F是粘合力，r是月壤颗粒半径；

S2.2：使用数学模型的方法将月壤的热导率表示为月壤粒径的函数：

月壤的热导率K由颗粒间接触产生的导热K_c和颗粒间热辐射产生的辐射K_r组成，即K＝K_c+K_r；

假设月壤粒径不变，K_c可通过赫兹接触理论确定为：

其中K₀是固体颗粒的热导率，μ是泊松比，E是杨氏模数，F是颗粒问的粘合力，χ是依赖于月壤粒径和填充系数Φ的结构参数：

其中f₁＝5.18×10^-2，f₂＝5.26；

粘合力F在填充系数和热导率随深度的变化中占主导地位，即：

F＝3πrγ

其中，γ是表面能，采用表面能与温度T之间的线性关系的假设，来确定表面能：

其中，T₃₀₀是室温300K，γ₃₀₀是300K时的表面能；

根据光子气体理论确定辐射分量K_r为：

其中，σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数，∈_g是固体颗粒的发射率，e₁是固体颗粒不规则形状的经验因子；

S2.3使用导热方程对月表温度与月壤热物理性质进行关联：

月壤的温度T随时间t和深度z的变化受导热方程的控制：

边界条件为：

月壤表面，

在热平衡深度z处，

式中，ρ是月壤密度，c是月壤热容，K是月壤热导率，T为深度z的温度，∈为月球表面发射率，σ为玻尔兹曼常数，T_s为月表温度，J₀为月球内部热流；

其中，月壤热容是由温度的经验函数确定：