玉兔二號光譜的光照幾何校正準確反演月壤成分

反射光譜是獲取月球表面成分的最重要手段，但是影響光譜的因素很多。除月表的物質組成、物性和太空風化程度之外，還受探測時的幾何因素影響，包括入射角、發射角和相位角。因此，研究光照幾何因素的影響並進行校正，是準確反演月表物質組成、太空風化程度等的前提。通常是在實驗室利用模擬月壤或阿波羅月球樣品開展不同幾何光照條件對光譜影響的研究。但是，即使是採用真實的美國太陽神登陸月球採集的月球土壤樣本，其表面也已經不是在月表時的原始狀態，因此模擬條件下測量的結果與真實月表可能有很大的差異。太陽神計劃之後，只有嫦娥三號和嫦娥四號成功登陸於月表，並且分別攜帶了月球車（玉兔二、二號），對月球土壤進行了可見- 近紅外成像光譜儀的就地測量。2019年1月3日，嫦娥四號降落在月球背面南極‐ 艾肯盆地（South Pole–Aitken ）的馮卡門（Von Kármán ）隕石坑，並開展了巡視探測，期待獲得月球的深部物質組成。在嫦娥四號著陸後的第四個月晝，玉兔二號首次開展了不同光照幾何條件下，月表原位光譜測量實驗。

中國科學院地質與地球物理研究所林楊挺研究員團隊利用玉兔二號在第四月晝測量的光譜，首次推導出覆蓋可見光- 近紅外波段（470至945微米，以5微米為間隔）的月表原位光度函數，並利用光度函數將光譜校正到標準觀測角度（即光度校正），獲得了更準確的月壤氧化亞鐵含量和成熟度。

由於登陸區的風化層暴露時間長達三十六億年，土壤已被均勻地混合，這與玉兔二號拍攝的全景圖一致，這一均勻表面為進行月球光度實驗提供了一個絕佳的場所。實驗採用月球車在中心旋轉一定角度，並對周邊月壤進行光譜測量的方式進行。實際測量的區域直徑小於五米 ，可以認為是均一的表面，相位角覆蓋範圍39.6°至97.1°。通過數據分析發現，相函數與相位角之間具有很好的相關性，並且隨波長變化；從特定相角到30度相角的校正係數隨波長的增加而減小；對於每個波長的反射率，相位角越大，校正到30度相位角的校正係數越大。

利用推導出的光度函數將光譜校正到標準的幾何角度（入射角30° ，出射角0° ，相位角3° ），並利用校正後的光譜計算了土壤的氧化亞鐵含量和光學成熟度。未經光度函數校正的反射率光譜，對很小區域內（直徑少於5米）土壤氧化亞鐵含量和在線物料流分析工具的反演有顯著的離散，氧化亞鐵含量由9.0% 到10.89% ，在線物料流分析工具值由0.11 到0.18 。作為對比，光度函數校正後的光譜，給出的氧化亞鐵含量和在線物料流分析工具值都相當一致，標準偏差分別從13.5%（氧化亞鐵）和35.7%（在線物料流分析工具）降低到0.7% 和7.1% ，顯示出反射光譜光度校正的重要性。本研究所獲得的原位光度函數可為月球探測的可見光-近紅外相機和光譜儀的校準、驗證、比較和成分反演提供重要參考。

【圖、文：節錄自中國科學院地質與地球物理研究所網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的《地球物理研究雜誌：行星》