《月球 科学概论》读书 笔记

第三章月球环境（中）

1.5 月球光学特征

（1）月球反照率

从地球上观测到月球的平均反照率要低于0.09，即9%。月球表面具体区域的反射率部分取决于当地的化学和矿物组成、微粒的大小以及物质的密度。通常情况下撞击坑辐射线是月球上最亮的区域，并且高地要比月海地区亮。

表4 月球正面和背面归一化反照率

区域	最小值	通常最大值	平均值
正面月海	0.06	0.09	0.07
正面高地	0.11	0.2	0.15
整个正面	0.07	0.1	0.09
整个背面	—	—	0.22

注：归一化反照率是指相同观测条件下物体表面亮度与Lambert表面（白屏）亮度的比值

（2）月球光度模型

光度函数F（α,i,e）是表面某个方向的散射亮度B与入射照度E的比值：

最早的光度函数采用的是最简单的Lambert定律，即假设月球表面为均匀的漫反射，只考虑入射光的角度这一自变量：

后来，月球的光度测量模型开始采用Lommel-Seeliger函数，即假设月球亮度是一次散射的结果，散射是各向同性的，但光度函数并不考虑多次散射光，散射也与相位角无关：

其中，W为单一散射反射率。

20世纪80年代早期，光度函数开始考虑一次散射时，各向异性对光度的贡献：

并随即建立了各向异性多次散射的光度函数:

其中，P(α)为相位函数；H(x)是Hapke多次散射函数。

90年代，光度模型开始考虑相干后向散射的增强影响，并尝试用阴影遮掩影响与相干增强导致的反向效应来设计光度模型：

其中，B(α)为反向效应函数。

Hapke针对粗糙表面二向反射特征，将函数S引入二向反射分布函数，用于解决受月面结构阴影产生的影响：

其中，[1+B(α)]P（α）为单一散射因子；[H（cosi）H（cose）-PLG（α）]为多次散射因子；S（i,e,α；θ）为粗糙表面阴影的影响函数，θ为表面粗糙度因子。

尽管光度函数发展迅速，但反向效应的影响仍有待更多的研究，目前的月球遥感数据光度校正采用的是20世纪80年代的光度函数。其中，克莱门汀月球遥感数据的光度校正函数只考虑了各向异性对光度的贡献，而忽略了月球表面的多次散射、反向效应的影响：

其中，相位函数P(α)=a+b×α+c×α²+d×α³+e×α⁴

（3）月光极化

太阳光在所有方向电磁振动的分布几乎是相同的，但经月面反射后，不同平面上的强度不再相同。被极化的这部分光定义为：

其中，I₂为入射光和反射光平面上的反射光强度；I₁为垂直平面上的反射光强度。

如图8，月光极化曲线与月球盈亏过程有关，其差异是由于相比月球高地而言，月海具有较大的极化作用，而且月海分布不均匀引起的，在月球北半球西部月海是东部月海面积的2倍多，并且这种极化的变化大致与反照率成正比。

图8 相位角变化与月球光极化关系图

（4）月球物质反射光谱特征

△ 月球物质光谱特征

月球上最常见的成岩矿物有长石、辉石、橄榄石、钛铁矿，这些矿物无水，极具还原性。

大多数月球物质是根据所含镁铁质矿物的类型和含水量来区分，而这些矿物在0.6~2.5μm之间有比较显著的吸收特征（中心位置：750nm和950nm）。如图9，通过对从月球样品中分离出的月球主要造岩矿物进行实验室光谱分析，发现其谱图上显著的近红外特征是由于上述矿物特定晶格上亚铁离子的电子跃迁引起的，这与地球上相应矿物的特征一样。由于月球矿物不含三价铁和水，所以矿物波谱相对简单。

图9 月球样品中分选出的主要矿物光谱分析结果

月球上的亚铁物质在UV、VIS、NIR区域有两个重叠的吸收峰：UV波段有一强烈的自旋允许吸收，NIR波段约1μm波段附近有一弱的自旋禁止吸收。实验发现在硅酸盐中随着亚铁含量的增加，将会在1μm波段附近出现一个吸收峰和一个朝向紫外的吸收边缘峰，由于UV和VIS吸收发生重叠，使得整个矿物变暗。

除此之外，某些元素的存在也会改变物质的光谱特征，如Fe、Ti等。而微陨石撞击月球表面也会促使月表矿物中的亚铁发生还原，形成超微单质金属铁颗粒，暗化其所在的月壤并削弱光谱对比度。

因此，可以利用镁铁质矿物的光谱特性结合其他影响因子来获取月球主要岩石类型的光谱特征，如图10。

图10 月海和高地具有代表性的月壤和月岩样品的光谱特征

可以发现，月海玄武岩含有丰富的高钙辉石（>50%），造成0.98~1.00μm间有一个显著的吸收带。当其含有一定量的橄榄石时（10%~20%），会使辉石的吸收带变宽，中心位置略微向长波方向移动；而对于高地岩石来说，不同的岩石种类含有不同比例的长石矿物以及不同类型的镁铁质矿物，其中钙长岩在近红外区域没有主吸收带，苏长岩中低钙辉石的吸收带在0.9~0.93μm之间，其强度受辉石丰度影响，钙含量高一些的辉石吸收带会移动至0.93~0.95μm之间，辉长岩的吸收带在0.97~1.0μm之间，橄榄岩和橄长岩的吸收带在1.1μm附近，其强度取决于橄榄石和斜长石的相对比例。

△ 月球表面反射率特征

月表物质主要由高地斜长岩、月海玄武岩和角砾岩组成，其主要矿物成分为斜长石、低钙/高钙辉石、橄榄石等。根据月表主要岩石的矿物和胶结物光谱特征、覆盖全月表的月壤光谱特征、月壤的物源贡献特征以及月球综合地质图来模拟计算300~1000 nm波长之间的月球反射率分布情况，得到了月球表面的平均反射率变化曲线，如图11。