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月球轨道飞行器激光测高仪的无源和有源辐射测量1064纳米的月球相位函数
信息来源: 发布时间:2016年11月25日 【 】 【打印】 【关闭

月球轨道飞行器激光测高仪的无源和有源辐射

测量1064纳米的月球相位函数


月球的反射率是月球表面的基本属性,因为表面有月球形成和演化过程的线索,而形成和演化又与成分和矿物学密切相关。反射率还依赖于月壤的物理性质,如压实状态、表面粗糙度、颗粒大小、形状、颗粒表面的凹凸、地下裂缝、表皮和包裹物等,所有这些物理性质都可以与成分和矿物学相关联。月壤的这些化学和物理性质也会因太空风化,由陨石、高能粒子和电磁辐射轰击的集体作用而改性。表面反射率的精确解释依赖于观看/照明几何形状(可以在观察和仪器之间系统性变化)和上述月壤属性。观看/照明几何由三个关键角组成:入射角(i):表面到光源向量和表面法线向量之间的夹角,发射角度(e):表面法线和表面到观察者矢量之间的夹角,相角(g):表面到光源矢量和表面到观察者矢量之间的夹角。所谓光度函数是用来描述反射率是如何依赖于观看/照明几何的,而相位函数是光度函数的一部分,特别用来量化相位角对观看/照明几何的依赖。

在过去的半个世纪,来自月球轨道航天器的数据、地面望远镜观测、返回和模拟的月壤样品的实验室测量和不断进步的遥感技术逐渐加深了我们对月球光度函数的认识和了解。适当修正观测到标准观察/照明几何以进行比较和分析必须了解测光函数,一些研究得出用于特定数据集的光度校正,来促进他们对色彩比例地图的拼接和使得来自多台仪器的数据进行更可靠的合成。此光度修正可以包括相位函数的经验模型,诸如多项式,或基于理论的模型,如Hapke模型或Shkuratov模型。

5 LOLA 1064nm山丘地带相位函数

对相位函数的兴趣也来自于为了更好地理解地质和太空风化对月壤特性的影响。然而,尚不清楚只给出适用于行星土壤的颗粒性质和进化过程的复杂混合,是否可以只从观察到的相位函数唯一确定月壤特性,而事实上,ie的多种组合可以有相同的相位角度。已经发现月球相位函数的空间变化与地质环境相关,最引人注目的是玛丽亚和高原之间,还有在具有特殊地质特征的其它位置,如Reiner Gamma漩涡地区和拉瓦锡火山口区的火山碎屑岩沉积。有几项研究已经使用相比率图像方法,即以不同的相位角度拍摄的同一个位置的两个图像之间的比率。此比率的变化通常被解释为月壤的物理结构的变化,如表面粗糙度或孔隙率。另一种方法是将宽相位角范围内相位函数的测量用理论模型拟合。例如,2014Sato等人使用月球勘测轨道飞行器(LRO)广角相机(WAC)进行了21个月观测来研究在紫外到可见(UV-VIS)光谱范围内,Hapke模型参数的空间和波长依赖性,他们发现高原相位函数比玛丽亚的相位函数有更多的后向散射,并解释为相比玛丽亚,在高原由于高反照率硅酸盐有更大比例的凝集形成,而玛丽亚相比高原有更大比例的微观金属铁(SMFe)和不透明矿物(如钛铁矿)。他们还发现,未成熟高原月壤比成熟高原月壤的对立效应(OE;在接近零相位角的亮度波浪)更宽,暂时归因于变化的晶粒尺寸分布。

本工作的目标是进一步阐明近红外光谱区的相位函数特性,特别是对地质环境的依赖。我们的主要数据集是搭载在月球勘测轨道飞行器(LRO)上的月球轨道飞行器激光测高仪(LOLA)所作的反射率测量。除了像以往一样主要通过测高测量测绘月球地形,这种仪器还用两种互补的方法测量1064nm的表面反射。第一种方法使用表面的后向散射占发射激光脉冲能量的比例,这种有源辐射测量独立于地形的零相位反射率,或正常反照率(An)。虽然不是在原有的仪器任务目标之内,我们近期又开发出了第二种反射率测定技术,将LOLA噪声监测管理数据变成一种独特的月球无源辐射科学测量。此数据集是独一无二的,因为它只覆盖窄光谱带,可以像测高数据一样进行精确的地理定位,还可以利用激光作正常反照率测量。被动辐射测量时,仪器测量地表面反射的太阳光子数量,这取决于地形和观看/照明的几何形状。本文侧重于无源辐射测量,但我们利用了LOLA可以在包括零度的所有相位角测量相位函数的独特能力。虽然无源成像仪可以在零相位进行观察,但这些测量在空间上的非常有限的(一般仅限于赤道附近)。与此相反,LOLA有源辐射测量可以在整个表面产生零相位测量,可以比典型的成像仪提供光度特性的更完整视图。虽然这之前已经有利用行星激光测高仪作为无源辐射仪的工作报道。

6 :OMAT参数图;:彩色复合相位差地图

作者给出了由搭载在月球勘测轨道飞行器上的月球轨道飞行器激光测高仪(LOLA)在超过12个月的时间内收集到的初始校准和无源辐射测量结果。在校正与时间和温度相关的暗噪声和探测器响应的变化后,LOLA无源辐射测量被输送到“月亮女神”号(SELENE)光谱分析器的绝对辐射级。估计得到的测光精度约为5%。我们利用LOLA测量正常反照率的独特能力来探索1064nm相位函数对各种地质参数的依赖性。在全球范围内,我们发现铁的丰度和光学成熟度(以FeOOMAT量化)是主要的控制参数。钛丰度(二氧化钛)、分米到十米尺度的表面粗糙度和土壤热物理性质这三个参数具有较小的影响,但后两者与OMAT相关,这表明暴露年龄是这两者影响全球平均感官的驱动力。相位函数还表现出对约300米基线的表面坡度的依赖性,可能是因为暴露未成熟材料导致的质量损耗和/或由于天空能见度降低导致的较少的太空风化。在Hapke框架下模拟测光函数,我们发现相对于高原(lunar highlands),玛丽亚(maria)平原表现出较小的后向散射,较小的对立效应(OE)宽度,和较小的OE幅度。相对于成熟的高原月壤,不成熟的高原月壤具有更高的后向散射比例和更大的OE宽度。在玛丽亚,后向散射比例和OE宽度对TiO2OMAT显示出很小的依赖性。在哥白尼纪杰克逊火山口的内部和周围,观察到大相位角时相位函数形状的变化,包括其暗晕(一个假定的冲击熔融沉积)。最后,Reiner Gamma漩涡地区的相位函数比有相似组成和OMAT的地区表现出更多的光学未成熟性,表明在这个地点可见光到近红外光谱和相位函数对异常月壤演化和属性的响应是不同的。

婷威编译自:M.K. Barker, X. Sun, G.A. Neumann.Lunar phase function at 1064 nm from Lunar Orbiter Laser Altimeter passive and active radiometry. Icarus: Volume 273, 15 July 2016, Pages 96–113



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