可见-近红外光谱的遥感探测是对地外天体表面物质组成和太空风化程度探测的重要手段，但是在轨遥感光谱和原位遥感光谱由于空间分辨率过低或测量环境复杂等问题，在数据解译方面都存在诸多不确定性与多解性。2020年11月，嫦娥五号月球探测着陆器搭载的月球矿物光谱分析仪对着陆点原位光谱进行了探测，次月其返回器将约1.7公斤月球样品带回地球。这为月面原位光谱与实验室光谱的对比分析提供了宝贵机会，有助于更准确地解译月面原位的光谱数据。
中国科学院地质与地球物理研究所常睿博士，在杨蔚研究员和林红磊副研究员的指导下，第一时间在实验室中对嫦娥五号全月壤和筛选的不同粒级月壤，进行不同相位角的光谱测量，计算获得了样品的光度特性，并与嫦娥五号原位光谱进行对比。
研究结果发现，嫦娥五号月壤实验室光谱的整体形态与原位光谱相同，在1 μm波段处有明显吸收（图1）。实验室光谱反射率随相位角增大呈先增加，到66°左右再减小，同时细粒样品的光谱反射率明显高于粗粒和未分选样品。
图1 嫦娥五号月壤的实验室光谱反射率。（a–c）分别是<45 μm月壤、45-355μm月壤、未分选月壤的光谱。灰色点是嫦娥五号原位多光谱数据。绿色点是嫦娥五号采样位置的原位多光谱数据
为了深入研究嫦娥五号月壤的光度特性，对实验室与原位光谱分别用Legendre多项式函数与Henyey-Greenstein（HG）函数计算了月壤的相函数参数（图2）。结果表明，嫦娥五号月壤的<45 μm部分表现出各向相同的散射特性，而45-355 μm部分和未分选月壤则表现为背向散射。由此可见，月壤的光度特性与其粒度高度相关。细粒月壤（<45 μm部分）的光谱相函数参数更接近月壤原位光谱的相函数参数，即细粒月壤可能更能代表月球表面原始状态月壤的散射特性。
图2 嫦娥五号月壤的实验室光谱相函数参数。（a）Legendre多项式函数导出的参数；（b）HG函数导出的参数。橄榄石、斜方辉石、斜长石和钛铁矿的b和c值来自Yang et al. (2018)。经验的b和c值获自Lucey (1998)。嫦娥四号的原位光谱b和c值来自Yang et al. (2020)。L型区域及其不同部分的性质来自McGuire and Hapke (1995)。“CE4 SWIR”是指嫦娥四号任务的短波红外探测器，“CE4 CMOS”是指嫦娥四号的可见近红外通道
研究还发现，原位的遥感光谱数据与实验室测得光谱数据计算得到的嫦娥五号月壤光度特性结果有显著差异，因此实验室中测得光谱计算得到的相函数参数不能直接用于原位遥感光谱的校正与计算。未来在不同着陆点的不同月表光谱探测任务中，均应进行不同相位角光谱测试的光度实验，并通过着陆点月表物质的原位光度特性对相应原位光谱进行校正。
该研究通过前人用Apollo样品建立起来的光谱反射率比值与Is/FeO的关系，判断嫦娥五号月壤的成熟度水平为中等成熟-成熟，结果与前人得到的嫦娥五号月壤成熟度结果一致，且嫦娥五号原位的R950/R750–R750数据点也落在了图3中等成熟-成熟区域的边部。因此，使用不同方法得到的嫦娥五号月壤的成熟度结果是一致的，在不易进行相位角校正的情况下，通过光谱反射率比值与Is/FeO的关系判断天体表面月壤成熟度是可行的。
图3 嫦娥五号月壤的实验室光谱斜率与相位角及指定反射率的关系。（a）嫦娥五号月壤样品光谱的反射率比值R950/R750与相位角相关性；（b）嫦娥五号月壤样品光谱的反射率比值R1600 /R700与相位角相关性；（c）嫦娥五号月壤样品光谱的反射率比值R750/R450与相位角相关性；（e）嫦娥五号月壤样品光谱反射率比值R950/R750与750 nm波段处反射率R750的相关性；（f）嫦娥五号月壤样品光谱反射率比值R1600/R700与700 nm波段处反射率R700的相关性。JSC-1的反射率比值数据来自Johnson et al. (2013)。嫦娥五号原位光谱数据来自Lin et al. (2022)。成熟度范围的划分是基于光谱反射率比值与阿波罗返回样品的IS/FeO之间的关系。阿波罗返回的月壤样品光谱来自LSCC数据库。LSCC光谱都是在标准几何条件下(i = 30°，e = 0°，g = 30°)测量的
研究成果发表于国际学术期刊 Astronomy & Astrophysics（常睿，林红磊，杨蔚*，阮仁浩，刘小莹，田恒次，徐佳飞. Comparison of laboratory and in situ reflectance spectra of Chang’e-5 lunar soil[J]. Astronomy & Astrophysics, 2023, 674, A68. DOI: 10.1051/0004-6361/202245751）。研究受国家自然科学基金项目（42241103），中科院战略性先导专项（XDB 41000000），中科院重点研究计划（ZDBS-SSWJSC007-15），地质与地球物理研究所重点部署项目（No. IGGCAS-202101），中国科学院青年精英科学家资助计划（2021QNRC001）以及中国科学院空间主动光电技术重点实验室开放基金项目（2021-ZDKF-3）的资助。
