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林红磊等-AA:嫦娥四号揭示月壤在月表原位状态下的光度特性
2020-06-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  月球全球被一层厚厚(2-15 m)的月壤覆盖,月球无大气,因此月壤层是月球与空间环境发生直接作用的界面,对月壤的分析是提高对月球认识的重要途径。美国Apollo计划和前苏联Luna计划带回来的样品也大都采集于这一层,轨道光学遥感探测器观测到的更是这一层最表面(微米厚度)的信息。利用光学遥感手段采集的光谱可以获得月壤中矿物类型、含量以及风化程度等信息,然而光谱是成分、孔隙度、单次散射、多次散射等因素的综合反映,为了从反射光谱获得更可靠的成分信息,需要更好地分析月壤的光学特性。从轨道上探测的是原始表面月壤在不同观测角度下获得的光谱,传统方法是利用实验室模拟不同光照条件对月壤光谱探测的影响,然后校正轨道数据。但是,即使用阿波罗计划带回的真实月壤样品,其层序已受到采样等过程的扰动,在实验室中也无法恢复月壤最表层的真实状态。 

  嫦娥四号任务搭载的玉兔二号月球车在月球背面进行巡视探测,在任务的第十个月昼,利用月球车携带的可见光-近红外成像光谱仪对月表的同一个区域进行了一次原位的几何光照对光谱影响的实验,获取了相同目标在太阳位置变化改变观测几何角度条件下的光谱,为推导月壤的光度特性提供了前所未有的数据集。中科院地质与地球物理研究所林杨挺研究员团队与国家空间科学中心刘洋研究员团队合作,利用玉兔二号获得的不同观测角度的反射光谱对月壤光度特性进行了深入分析。     

  从图1可以看出,月球表面并不是平坦的,地形的起伏会影响局地光照和仪器观测角度。因此为了获取真实的光谱反射率,需要进行地形校正,将太阳入射角度和仪器观测角度校正到实际情况。作者利用避障相机拍摄的立体像对获得了光谱探测区域的精细DEM数据(图2),并计算出坡度,根据推导出的角度关系校正了地形对光谱的影响。 

1 玉兔二号月球车对相同月壤区域进行持续光谱探测。通过太阳的升落调节观测的几何配置,所携带可见光-近红外成像光谱仪覆盖450-2400 nm的光谱范围,光谱间隔为5 nm 

2 光谱探测区域地形特征(DEM和坡度)  

  基于地形校正后的光谱数据,提取出了月壤的相位曲线(反射率随相位角的变化),利用3参数Hapke辐射传输模型拟合该相位曲线,获得了月壤的光度散射特性,包括单次散射反照率和Henyey-Greenstein相位函数的两个参数(bc)。结果表明,这些参数随波长而变化。与阿波罗样品的实验室光度测量结果对比,二者均表现出前向散射特征,但未受扰动月壤的相位函数参数bc的关系更偏离Hockey-stick函数(实验室经验关系),原位测量的b值要高得多,表明着陆区原始的月壤颗粒的散射波瓣要高且窄得多,表现出更强的前向散射特性(图3)。 

  从原位测量中获得的光度参数为了解月壤的散射特性提供了重要依据。此研究还表明,地形对从月壤的原位光谱测量中得到的光度值有很强的影响,这些影响需要校正。进行地形校正后的光度参数对于获得着陆区更可靠的矿物丰度是至关重要的,同时,它们也为轨道数据的光度校正提供了关键的地面真值。 

3 Henyey-Greenstein相位函数参数bc的关系

  研究成果发表于国际权威学术期刊Astronomy & Astrophysics。(林红磊, 杨亚洲, 林杨挺*,刘洋*魏勇,李帅,胡森杨蔚,万文辉,徐睿,何志平,刘晓慧,邢琰,余成武,邹永廖. Photometric properties of lunar regolith revealed by the Yutu-2 rover[J]. Astronomy & Astrophysics, 2020. DOI: 10.1051/0004-6361/202037859)(原文链接)。该工作受中国科学院战略性先导科技专项(XDB41000000)、国家自然科学基金项目(41902318, 11941001, 41490631, 41525016)、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201905)等资助,并得到了来自中科院上海技物所、中科院空天信息研究院、北京航天飞行控制中心、北京控制工程研究所等多家单位合作者的帮助。

 
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