Astronomy & Astrophysics：嫦娥四號揭示月壤在月表原位狀態下的光度特性

2020-08-30 中科院地質地球所

林紅磊等-AA：嫦娥四號揭示月壤在月表原位狀態下的光度特性

月球全球被一層厚厚（2-15 m）的月壤覆蓋，月球無大氣，因此月壤層是月球與空間環境發生直接作用的界面，對月壤的分析是提高對月球認識的重要途徑。美國Apollo計劃和前蘇聯Luna計劃帶回來的樣品也大都採集於這一層，軌道光學遙感探測器觀測到的更是這一層最表面（微米厚度）的信息。利用光學遙感手段採集的光譜可以獲得月壤中礦物類型、含量以及風化程度等信息，然而光譜是成分、孔隙度、單次散射、多次散射等因素的綜合反映，為了從反射光譜獲得更可靠的成分信息，需要更好地分析月壤的光學特性。從軌道上探測的是原始表面月壤在不同觀測角度下獲得的光譜，傳統方法是利用實驗室模擬不同光照條件對月壤光譜探測的影響，然後校正軌道數據。但是，即使用阿波羅計劃帶回的真實月壤樣品，其層序已受到採樣等過程的擾動，在實驗室中也無法恢復月壤最表層的真實狀態。

嫦娥四號任務搭載的玉兔二號月球車在月球背面進行巡視探測，在任務的第十個月晝，利用月球車攜帶的可見光-近紅外成像光譜儀對月表的同一個區域進行了一次原位的幾何光照對光譜影響的實驗，獲取了相同目標在太陽位置變化改變觀測幾何角度條件下的光譜，為推導月壤的光度特性提供了前所未有的數據集。中科院地質與地球物理研究所林楊挺研究員團隊與國家空間科學中心劉洋研究員團隊合作，利用玉兔二號獲得的不同觀測角度的反射光譜對月壤光度特性進行了深入分析。

從圖1可以看出，月球表面並不是平坦的，地形的起伏會影響局地光照和儀器觀測角度。因此為了獲取真實的光譜反射率，需要進行地形校正，將太陽入射角度和儀器觀測角度校正到實際情況。作者利用避障相機拍攝的立體像對獲得了光譜探測區域的精細DEM數據（圖2），並計算出坡度，根據推導出的角度關係校正了地形對光譜的影響。

圖1 玉兔二號月球車對相同月壤區域進行持續光譜探測。通過太陽的升落調節觀測的幾何配置，所攜帶可見光-近紅外成像光譜儀覆蓋450-2400 nm的光譜範圍，光譜間隔為5 nm

圖2 光譜探測區域地形特徵（DEM和坡度）

基於地形校正後的光譜數據，提取出了月壤的相位曲線（反射率隨相位角的變化），利用3參數Hapke輻射傳輸模型擬合該相位曲線，獲得了月壤的光度散射特性，包括單次散射反照率和Henyey-Greenstein相位函數的兩個參數（b和c）。結果表明，這些參數隨波長而變化。與阿波羅樣品的實驗室光度測量結果對比，二者均表現出前向散射特徵，但未受擾動月壤的相位函數參數b和c的關係更偏離Hockey-stick函數（實驗室經驗關係），原位測量的b值要高得多，表明著陸區原始的月壤顆粒的散射波瓣要高且窄得多，表現出更強的前向散射特性（圖3）。

從原位測量中獲得的光度參數為了解月壤的散射特性提供了重要依據。此研究還表明，地形對從月壤的原位光譜測量中得到的光度值有很強的影響，這些影響需要校正。進行地形校正後的光度參數對於獲得著陸區更可靠的礦物豐度是至關重要的，同時，它們也為軌道數據的光度校正提供了關鍵的地面真值。

圖3 Henyey-Greenstein相位函數參數b和c的關係

研究成果發表於國際權威學術期刊Astronomy & Astrophysics。（林紅磊, 楊亞洲, 林楊挺*，劉洋*，魏勇，李帥，胡森，楊蔚，萬文輝，徐睿,何志平，劉曉慧，邢琰，餘成武，鄒永廖. Photometric properties of lunar regolithrevealed by the Yutu-2 rover[J]. Astronomy & Astrophysics, 2020. DOI:10.1051/0004-6361/202037859）。該工作受中國科學院戰略性先導科技專項（XDB41000000）、國家自然科學基金項目（41902318, 11941001, 41490631, 41525016）、中科院地質與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-201905）等資助，並得到了來自中科院上海技物所、中科院空天信息研究院、北京航天飛行控制中心、北京控制工程研究所等多家單位合作者的幫助。

校對：覃華清

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