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林红磊等-GRL:嫦娥四号光谱热辐射特征-助力嫦娥五号光谱解译
2021-03-15 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  反射光谱是获取月表物质组成的重要手段,但月表高温使月壤产生的热辐射会改变光谱形态,从而掩盖矿物的特征。在月球赤道附近的当地中午,月壤的最高温度可达130以上,在如此高的温度下,热发射可以极大地改变2 μm之后波段的反射率光谱特征,从而影响对月壤物质组成的判断。获取准确的月表温度是消除热辐射对月壤真实反射率污染的关键。月球LRO卫星的DIVINER探测器可以获取月表的温度,但都是利用热红外波长(>7 μm)进行测量的,由于月表非等温性和不同波长的穿透深度不同,且真空条件下月壤层存在较大的热梯度,从以长波热发射为主的光谱波段估算的温度不能直接适用于2-4 μm的区域。然而,由于在2-4 μm的光谱区域,光谱仪接收到的反射和发射能量都占有很大比例,因此从光谱中准确估计温度是非常具有挑战性的。 

  201913日,嫦娥四号探测器成功降落在月球背面南极-艾肯盆地的冯·卡门撞击坑(45.457°S177.588°E),玉兔二号月球车对着陆区进行了详细的勘测。月球车上搭载的可见-近红外成像光谱仪以极高的空间分辨率(厘米尺度)测量了月表同一区域、同一月昼不同时刻的一系列红外光谱(图1),为了解月球反射率数据的热效应提供了前所未有的机会。中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室林红磊副研究员、林杨挺研究员、魏勇研究员等联合夏威夷大学李帅博士、国家空间科学中心刘洋研究员、杨亚洲博士、吴兴博士等,利用这套数据集估算了嫦娥四号着陆区的月表温度,并对嫦娥四号光谱进行了热校正处理。 

1 嫦娥四号着陆区反射率光谱数据及采集区域坡度

  将不同时刻获取的光谱归一化到1.55 μm,可以发现它们分为了两组(2),一组是靠近当地中午采集,受到热辐射的影响比较严重;一组是靠近傍晚时采集,几乎不受热辐射的影响。利用不受热辐射影响的光谱建立1.55 μm2.38 μm波段之间的关系,预测受热辐射影响光谱2.38 μm处的真实值,然后根据与测量值的差异,基于普朗克函数将温度计算出来。结果表明,在月球当地时间14:28~14:41,着陆点表面温度为346±8 K。基于反演得到的温度,利用基尔霍夫定律对全波段光谱进行了热校正(图3)。通过校正前后对比发现,反射光谱中的热贡献会显著增大辉石和/或玻璃丰度的估算误差。 

2 嫦娥四号着陆区不同时刻单次散射反照率光谱

3 热辐射校正后光谱

  嫦娥五号探测器于20201123日发射,并于2020年末成功地从风暴洋北部采集回1.731公斤的月球样品。嫦娥六号探测器在不久的未来也将从月球南极采集样品并返回地球。嫦娥五号和嫦娥六号着陆器上都搭载了月球矿物光谱仪(LMS),以对月表物质组成进行就位探测。LMS主要继承了嫦娥四号光谱仪的技术,但将其光谱范围扩展到3.2 μm,这对于检测着陆点的矿物成分和含水量更为有用。但是,如果在月表高温条件下采集数据,那么在进行光谱分析之前必须去除2 μm波段之后的热影响。本研究的成果为嫦娥五/六号的光谱分析提供了重要参考,它们返回的月球样品也将有助于验证热校正模型,并为验证轨道观测提供地面真值。 

  研究成果发表于国际权威学术期刊GRL林红磊*, 李帅,林杨挺,刘洋,魏勇杨蔚,杨亚洲,胡森,吴兴,徐睿,李春来,何志平. Thermal modeling of the lunar regolith at the Chang’E-4 landing site. Geophysical Research Letters, 2021: e2020GL091687. DOI: 10.1029/2020GL091687 )。研究得到国家自然科学基金项目(1194100141902318, 41430105, 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。

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