火星表面二水硫酸钙介电特性的太赫兹时域光谱温度依赖性研究

为探究火星表面典型矿物二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)在极端温度环境下的介电响应机制，研究人员采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术，结合Landau-Lifshitz-Looyenga(LLL)有效介质理论，系统测定了100-320K温度范围内复介电常数的变化规律，并首次揭示了质子辐照对矿物介电特性的影响，为火星矿物遥感识别和行星环境研究提供了关键光学参数。

　　

在火星探测任务中，地表矿物的准确识别是解析行星演化历史的关键。作为火星表面广泛分布的含水硫酸盐矿物，二水硫酸钙(CaSO₄·2H₂O)的光学特性研究却长期面临技术瓶颈——传统红外光谱难以区分晶体水分子贡献，而极端温度环境(-73°C至47°C)下介电参数的缺失更制约着遥感数据的解译精度。更棘手的是，太阳风质子辐照可能改变矿物光学性质，但相关实验数据至今空白。

针对这些挑战，中国国家自然科学基金委资助的研究团队在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》发表创新成果。研究人员创造性地将太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术与低温控温系统结合，通过Landau-Lifshitz-Looyenga(LLL)有效介质理论模型，首次建立了二水硫酸钙在1.0THz频段介电常数随温度变化的定量关系。实验设计上，团队采用聚四氟乙烯(PTFE)作为粘结基质，确保粉末样品在低温下的测量稳定性；通过2×10¹⁰ protons/cm²通量的质子辐照实验，模拟了太阳风对矿物的影响。

【Sample preparation】
研究选用200目筛分(粒径15-50μm)的二水硫酸钙粉末，与PTFE按1:1体积比混合压片。对比样品无水硫酸钙(CaSO₄)采用相同处理方法，确保数据可比性。

【Data treatment by LLL model】
时域信号经快速傅里叶变换(FFT)处理后，基于LLL三组分模型提取复介电常数。结果显示：在1.0THz处，二水硫酸钙的实部介电常数(ε')从100K的5.3增至320K的5.8，虚部(ε")从0.25升至0.32；无水硫酸钙变化幅度较小(ε':5.2→5.3，ε":0.28→0.4)。这种差异源于晶体水分子极化率的温度敏感性——水分子旋转自由度随温度升高增加，导致介电损耗增强。

【Proton irradiation effects】
质子辐照使220K时ε'增加0.3而ε"降低0.2，表明高能粒子可能破坏氢键网络，改变水分子的弛豫动力学。该现象首次证实太空辐射环境会显著影响含水矿物的太赫兹响应特性。

结论部分指出，该研究不仅填补了含水矿物低温介电参数的数据库空白，更建立了"温度-介电响应-质子辐照"的定量关系模型。这些发现为解读火星轨道器THz遥感数据提供了物理基础，特别是对判别地表矿物含水状态具有重要应用价值。研究采用的LLL模型处理方法，为其他含水矿物的太赫兹光谱研究提供了普适性方案。文末强调，未来需结合更宽频段(0.1-3.0THz)和更低温(77K)测试，以全面揭示晶体水分子动力学机制。