嫦娥四号着陆点原位高光谱的太空风化研究
0 引 言
早期认为表面几乎没有大气的月球是不存在演化的[1],而事实上,在长期遭受宇宙射线和太阳风的照射、陨石撞击、昼夜热循环等作用,导致表面物质的物理化学性质发生改变,这种过程即太空风化。太空风化显著地改变了月球表面的光谱特征,使得月表反射率总体变低、光谱斜率增大(变红)、矿物诊断性吸收谱带普遍减弱[2-4]。产生这种变化,主要是由于微陨石的撞击和太阳风的溅射过程中汽化的铁粒子在表层的沉积作用。由于几十甚至几百纳米粒径的铁粒子对太空风化作用同样具有影响,所以早期将该铁粒子称为纳米相铁(npFe0)并不合理,而应该称为亚微观铁(SMFe)。该风化过程,随着时间的增加而变得更加显著,即成熟度越来越高。太空风化对月球表面过程、光谱特性、物质成分反演等都具有重要意义。成熟度是描述太空风化的常用指标,利用SMFe含量与氧化亚铁含量可以反演得到成熟度[5]。采用高光谱遥感数据结合月壤的相关参数可以反演得到月壤中SMFe的含量[1, 6-7]。
月球原位光谱数据不足且月球代表性样品不完备,付晓辉[8]、赵哲[9]等利用Hapke模型对实验模拟光谱进行了太空风化分析,是对太空风化研究的重要补充。研究表明,近距离获取原位高光谱数据对于月表太空风化反演的结果更加准确可靠[7]。绕月卫星距离月面较远,由于空间分辨率较低不可避免地存在混合像元现象,进而导致光谱混合像元,使得反演结果不准确;采样返回的月球样品在采用过程中,不可避免地会发生翻动、搅动混合和孔隙度变化等物理变化,从而使得实验室测得的光谱很难代表月球表面真实光谱信息。
我国2018年底发射的嫦娥四号(CE-4)卫星巡视器玉兔二号搭载的红外成像光谱仪所获取的原位光谱数据,结合相关参数以及FeO的含量,对CE-4着陆点附近月壤进行太空风化研究,是继嫦娥三号(CE-3)太空风化研究后的又一绝佳机会。相比CE-3,CE-4是人类首次获取月球背面原位光谱数据,对月球背面太空风化研究对人类对月球的总体完整认识具有重要意义。
1 嫦娥四号高光谱数据
2019年1月3日嫦娥四号着陆器与巡视器玉兔二号成功地于月球背面(远离地球的一侧)软着陆[10]。玉兔二号目前已经正常工作至第八个月昼,搭载的红外成像光谱仪已经获取了大量的月球原位高光谱数据。红外成像光谱仪的相关参数见
表 1. 嫦娥四号,玉兔二号红外成像光谱仪技术参数
Table 1. Parameters of the CE-4, Yutu-2 visible and near-IR imaging spectrometer (VNIS) and short-wave infrared (SWIR) spectrometer
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在嫦娥四号的观测点中,第三个月昼共获得了十个点位的光谱数据(点12~点21)。为了研究嫦娥四号登陆点附近的月壤太空风化情况,选取了两个观测点的光谱数据。通过可见光近红外成像光谱仪的影像以及短波红外的光谱数据研究发现,嫦娥四号登录后的第三月昼的所探测的点15的光谱为岩石光谱(见
图 1. 嫦娥四号15号观测点影像及其光谱。(a)成像数据(450~945 nm),红色圆圈为短波红外数据探测范围;(b) 红圈范围内光谱
Fig. 1. Image and spectra of site 15 of Chang'e-4. (a) Imaging data (450−945 nm), red circle is the scope of the SWIR data; (b) spectra inside the red circle scope
图 2. 嫦娥四号20号观测点影像及其光谱。(a)成像数据(450~945 nm),红色圆圈为短波红外数据探测范围;(b) 红圈范围内光谱
Fig. 2. Image and spectra of site 20 of Chang'e-4. (a) Imaging data (450−945 nm), red circle is the scope of the SWIR data; (b) spectra inside the red circle scope
表 2. 玉兔二号获取的点15与点20光谱的几何信息
Table 2. Data acquisition conditions of Site 15 and Site 20 by Yutu-2
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2 反演模型
基于辐射传输理论的二相性反射传输模式的Hapke模型,主要表达被研究物质成分、颗粒大小以及观测几何角度的光学特性等方面的内容[1],其公式如下:
式中:g为观测相位角;μ0为入射角i的余弦;μ为观测角e的余弦;B(g)为后向散射函数,
式中:B0为后向效应幅度,可以近似为1[13];h为后向效应的宽度参数,与颗粒的粒径、介质的填充因子等相关,其表达式为:
式中:φ为填充因子,月壤可以约等于0.41[14]。P(g)为单个粒子的相函数,可以由以拉格朗日多项式来定义:
式中:b=–0.4,c=0.25[15]。ωave为所有成分的平均单次散射反照率(average Single Scattering Albedo,SSA)。其表达式如下:
式中:nh和kh分别为基质折射率指数(refractive index)的实部(即折射率)和虚部(即消光系数),月壤的折射率nh为1.7[3],而消光系数kh则由模型反演得到;αω为吸收系数(absorption coefficient),其大小为4πnk/λ,λ为波长;<D>为光在颗粒内部的平均路径长度,在月壤中约为30 μm[16]。H(μ, ωave)为各向同性散射函数[5]:
其中,
空间风化的光谱效应是计算吸收系数α的因素[4]:
其中,
该研究中铁的光学常数为Paquin[17]实验数据。ρh,ρFe则分别代表基体和铁单质的密度,基体的密度本章假定为1.6 g/cm3[18];铁的密度为7.87 g/cm3[19];f为SMFe在月壤颗粒表面的质量比例。
在该研究中,首先利用Hapke模型反演得到尚未风化的岩石矿物光谱(即点15的光谱)对应的光谱消光系数k,此时输入该光谱对应的各种观测角度,而吸收系数以4πnk/λ计算。然后利用计算所得的波长范围内k值在其他光谱(即点20的光谱)测定时的测光角度信息等模拟计算,此时,吸收系数α增加空间风化因子。从0逐步增加SMFe的含量,计算模拟光谱与点20光谱的光谱角,当二者最为相等或者接近时的f便是点20月壤的SMFe含量。
3 结果与分析
经过模型反演,当未风化的岩石光谱(点15光谱)增加SMFe含量为0.048 wt.%时,与点20的光谱拟合结果达到最佳(见
结合该点的FeO含量13 wt.%[20],可以得出该点的成熟度为11.5,可能属于不成熟月壤。
图 3. 模拟光谱与所选取光谱的(a)原始数据与(b)在1 100 nm波长处归一化后的对照图
Fig. 3. (a) Original and (b) the normalized diagram at 1 100 nm wavelength of the modeled spectra and the selected spectra
需要说明的是,该研究中假定岩石矿物的表面SMFe含量为0。而事实上,岩石在风化前表面也可能存在包浆并不为0,所以反演的SMFe含量可能与实际相比偏低。利用Hapke模型反演得到的亚微观铁粒径范围为不大于50 nm,而Morris模型中采用的核磁共振敏感的亚微观铁范围仅为4~33 nm,这就使得在反演成熟度时,结果会偏高,这在一定程度上缓解了上述假设的偏差。
前人的研究目前主要是月球正面月海的研究,而对月球背面月海高地过渡区的相关参数是否需要调整仍需进一步研究与分析。
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王振超, 柳稼航, 盛庆红, 吴昀昭. 嫦娥四号着陆点原位高光谱的太空风化研究[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20190460. Zhenchao Wang, Jiahang Liu, Qinghong Sheng, Yunzhao Wu. Study on space weathering of Chang′e-4 landing site by in situ spectra[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(5): 20190460.