嫦娥五号着陆区月壤的太空风化改造特征

月壤是月球科学与工程探测的主要目标物和承载物,也是人类认识月球的主要信息来源。太空风化作用是决定月壤形成,特别是演化过程的关键因素。本文系统总结了近两年来围绕嫦娥五号着陆区月壤的太空风化改造特征所取得的阶段性研究进展,特别是单质金属铁的多种成因机制、硫化物的风化改造特征和太阳风成因水等。上述研究成果的取得,为准确认识月壤特性,反演月壤形成与时空演化历史以及评估月壤资源特性奠定了良好的基础。最后结合我国后续月球探测工程规划,提出了新的研究方向与目标。

月球表面太空风化作用及其效应

太空风化作用普遍发生在月球、小行星等一些无大气层的天体表面,主要包括太阳风离子辐射和微陨石撞击等作用.通过对真实月球样品太空风化作用的研究成果以及低能离子和激光照射等地面模拟实验结果的系统综述和分析,重点分析了月壤颗粒中非晶质层和纳米铁的成因,指出太空风化研究中存在的太阳风离子辐射和微陨石撞击贡献难以区分及模拟实验模拟效果尚不充分的问题.进而提出月球太空风化研究不能简单套用其他天体的模型,并建议未来开展更多月球和陨石样品的精细化学分析.

基于非线性混合模型研究太空风化对月壤光谱的影响

月表太空风化会改变月壤光谱特征,影响月壤元素遥感反演精度.研究太空风化对月壤光谱的影响有助于开发月壤成熟度光谱解耦算法,提高月壤成分遥感反演精度.直接对比月壤风化前后光谱的变化能最真实反映太空风化对光谱的影响,但无法获取未风化的月壤样品,利用实验室模拟方法开展研究也存在缺陷.本文提出了一种简便的方法来研究太空风化对月壤光谱的影响,并以月海样品为例进行探讨.利用Hapke模型对月海样品组成矿物光谱按照实测含量进行非线性混合,并通过对比混合后的光谱与实测的月壤光谱,研究太空风化过程对月壤光谱的影响.研究结果表明,月壤在遭受太空风化后反射率降低,波长越短降低越显著;月壤背景吸收斜率增大,月壤变得更红,月壤矿物特征吸收峰深度降低,光谱对比度变弱,长波吸收峰(2.0μm附近)深度降低程度超过短波吸收峰(1.0μm附近)深度.未来在利用遥感技术反演月壤元素含量时,必须考虑这些因素.

基于太空风化的尖晶石二向性反射特性研究

简要介绍了不同太空风化条件下尖晶石的光谱特性,特别是利用Hapke模型计算了不同太空风化条件下尖晶石的二向性反射率分布特征。模拟的结果显示,对M3数据,可比较0.6μm和1.9μm附近的吸收特征;对IIM数据,则需要先分析太空风化程度,然后比较0.6μm和0.9μm附近的吸收特征来判断是否为尖晶石。该结论为选择探月传感器的波段组合识别尖晶石提供了依据,也为应用M3数据和"嫦娥1号"IIM数据的尖晶石判别奠定了基础。

近地小行星太空风化光谱效应的模拟实验研究

本文选取3种类型的陨石分别进行脉冲激光辐照实验,模拟距离太阳1个天文单位(1 AU)处,10亿年(1 Ga)期间微陨石轰击的太空风化作用对E型、S型、C群等近地小行星光谱特征的改造。结果显示,激光辐照后,顽辉石无球粒陨石光谱的可见光波段反射率降低且近红外斜率增加,与E型小行星光谱改造特征一致;普通球粒陨石的可见光-近红外波段反射率均降低、吸收深度变浅且近红外斜率增加,与S型小行星光谱改造特征一致;CV3型碳质球粒陨石和CO3型碳质球粒陨石在激光辐照后可见光波段反射率降低,但近红外波段反射率升高,吸收深度变浅且近红外斜率增加,与贫挥发分的C群小行星光谱改造特征一致;CM2碳质陨石在激光辐照后,可见光波段反射率增加,但近红外波段反射率及近红外斜率降低,与富挥发分的C群小行星光谱改造特征一致。研究结果可为近地小行星探测任务备选目标的确定、光谱遥感数据以及表面物质演化过程的反演提供一定的参考。

基于Apollo15月壤和普通球粒与碳质球粒陨石模拟实验的太空风化特征产物成因分析

月球、小行星等无大气行星体具有独特的反射光谱太空风化改造特征,其成因主要被归结于纳米级—亚微米级不透明颗粒等太空风化特征产物。本研究结合Apollo返回月壤样品、普通球粒和碳质球粒陨石样品的模拟实验结果,综合分析了太空风化特征产物的来源和成因,并讨论了其可能的光谱效应。研究结果表明,np-Fe0(纳米级单质金属铁)是铁镁硅酸盐等矿物经过微陨石轰击引起的气化沉积作用和原位还原作用形成。np-FeNi(纳米级铁镍金属)的成因主要包括FeNi金属和陨硫铁的气化沉积与冲击分散成因。np-FeNiS(纳米级铁镍金属的硫化物)和sm-FeNiS(亚微米级铁镍金属的硫化物)主要形成于陨硫铁的冲击分散过程。上述不透明颗粒是形成月球与S型小行星紫外—近红外波段光谱反射率降低、特征吸收峰减弱和连续统红移等特征的主要原因。气泡结构主要形成于层状硅酸盐等矿物在微陨石轰击过程中的挥发分逃逸,推测是含水量较高的小行星(如Bennu)紫外-近红外波段光谱反射率增加和连续统蓝移等特征的主要成因。实验结果预期对月球与小行星返回样品分析以及反射光谱的太空风化改造特征的解释提供一定的参考。

月壤中纳米金属铁的太空风化成因及模拟方法分析

月壤中普遍存在着大量由太空风化作用产生的纳米金属铁,这些纳米金属铁在一定程度上改变了月球表面的物理、化学和光学特征。纳米金属铁在月壤中主要赋存于胶结质玻璃相中和月壤颗粒的表面,胶结质玻璃相的纳米金属铁起源于微陨石轰击富含太阳风氢粒子的月壤产生的高温熔融还原作用,颗粒表面的纳米金属铁来自微陨石轰击引起的蒸发沉积作用和太阳风、宇宙射线粒子的溅射沉积作用的共同作用。根据月壤中纳米金属铁的成因和特征,分析了采用微波加热技术和磁控溅射技术分别模拟胶结质玻璃相中和颗粒表面纳米金属铁的可行性研究,初步的模拟实验表明这两种方法模拟生产的样品中纳米金属铁的特征和真实月壤的相近,模拟样品对于月球遥感光谱解译、月球科学研究和月球探测工程都具有重要的意义。

月壤颗粒微观环带的太空风化成因

太空风化是迄今31亿年以来影响月球表面物质演化过程的主要因素,主要包括陨石、微陨石的轰击,太阳风粒子的注入,太阳/银河宇宙射线的辐射以及周期性的加热作用等。通过深入剖析太阳风粒子的注入与溅射、微陨石轰击的蒸发与沉积、宇宙射线辐射的辐射损伤等过程的作用机理,探讨了不同太空风化过程对矿物颗粒环带厚度、化学组成、晶体结构等特征的影响,认为微陨石轰击与太阳风注入是形成月壤颗粒微观环带的主导因素,宇宙射线辐射与周期性加热的影响可忽略不计。进一步结合非晶质环带、富内含物环带、多环环带以及小泡环带等月壤颗粒主要环带的基本特征,在总结和对比分析各类型环带的厚度、结构以及化学组成特征基础上,对不同类型环带的成因进行初步推断,认为非晶质环带、小泡环带以及多环环带的内层环带具有太阳风作用特征,而富内含物环带、多环环带的外层环带则具有微陨石轰击的成因特征。根据目前单纯依靠环带的化学组成分析解释环带成因存在的不足,指出了通过补充分析矿物晶体结构在模拟太空风化实验过程中的变化特征来研究环带成因的新思路。

顾及太空风化效应的虹湾地区矿物含量反演

月表矿物含量反演是研究月球地质起源和演化的关键.太空风化作用普遍发生在月球表面,对矿物纯净光谱造成了不可忽视的影响,它弱化光谱吸收特征,降低反射率,影响矿物含量遥感反演精度.基于Relab光谱库和Hapke辐射传输模型,将月表4种矿物(单斜辉石、斜方辉石、斜长石、橄榄石)的二向性反射率转换成同向性的单次散射反照率,然后计算矿物的光学常数;再根据亚微观金属铁SMFe(submicroscopic metallic iron)的质量分数模拟6种不同程度太空风化效应,得到端元矿物的反射率光谱;最后基于上述方法,利用多端元线性分解方法和M3(moon mineralogy mapper,月球矿物绘图仪)高光谱数据反演不同风化程度下的矿物含量,得到月表虹湾地区辉石、斜长石、橄榄石3种矿物的含量分布.实验表明,利用多端元线性分解可以有效模拟太空风化效应对矿物光谱的影响,是研究太空风化效应影响下矿物识别及含量反演的一种行之有效的方法.

中国科学院国家空间科学中心揭示太阳风与月面相互作用能量特征

月球是无大气天体代表。月球表面没有浓密大气和全球性磁场保护。来自周围空间的各种辐射粒子可以直接与月表相互作用,并引起月壤物理和化学属性改变,即太空风化效应。在月球绕地球公转过程中,约有3/4时间在太阳风中,因此太阳风是月球主要的空间粒子源。在太阳风与月壤相互作用过程中,约有0.1%~1%的太阳风质子直接以质子形式被散射,10%~20%的太阳风质子在与月壤相互作用的过程中捕获一个电子以能量中性原子(Energetic NeutralAtom,ENA)的形式被散射,其余大部分太阳风质子会植入到月壤风化层中。这些植入粒子一方面会产生OH/H_(2)O、纳米铁等,是月表风化和水的主要来源之一;另一方面会将月面的固体成分溅射出来,且溅射出的原子被认为是月球气体外逸层的主要来源之一。因此,研究太阳风-月面相互作用过程,可以帮助科学家剖析月面太空风化、月球水和气体的产生和迁移,为探讨月表物质、太阳风和地球风的演化历史提供线索,并为研究空间等离子体与其他无大气天体(如水星、小行星、木星冰卫星)的相互作用提供重要参考。

月面环境过程研究评述

月球在停止强烈地质活动后,持续了30多亿年的月面环境过程,虽破坏了月球早期岩浆洋演化和撞击事件的原始信息,但也很好地将这一过程信息刻录到了月表物质和月面环境现象中。一方面,长期的太空风化过程形成了月壤颗粒特有的表层微观结构、np Fe0、Fe-Si化合物及矿物水等;另一方面,这些特性又是影响月球表面热环境及尘埃环境的重要因素。在当前月球探测快速推进的形势下,工程实施迫切需要更系统地认识月面环境过程,而我国嫦娥五号任务将实现月球采样返回,也将是开展月面环境过程研究的重要契机。为此,本文总结了月面环境过程研究的现状,分析了存在的主要问题和未来研究的方向。

小行星目标特性遥感探测

近地天体防御方案的制定需要知道小行星的类型、物质成分、表面结构等目标特性。光谱学是获得小行星目标特性的重要手段。过去通过地基望远镜、太空望远镜、太空探测器等获得的光谱数据对小行星有了十分深入的认识,揭示了太阳系小行星分布规律及演化特征。本文首先介绍光谱学基础原理,包括电子过程与分子振动过程,然后介绍与此有关的光度学,最后介绍光谱学及光度学应用,包括小行星分类、太空风化、粗糙度与孔隙度等与小行星目标特性有关的研究。

论述冲击陨石对单质金属铁形成条件的约束

自Apollo时代开始,单质金属铁就作为月球等无大气行星体表面太空风化作用的特征产物而受到普遍关注。单质金属铁的形成能够显著改变无大气行星体的反射光谱特征,对准确解译行星体光谱数据具有重要意义。目前缺乏对于单质金属铁形成条件的深入研究与探讨。基于此,本文拟论述陨石的冲击特征对空间环境中单质金属铁形成条件的约束作用,进而对空间环境中太空风化作用过程有更深刻的理解。

嫦娥五号月壤的表面特征研究

嫦娥五号月壤是迄今为止人类采集返回最年轻的月球样品,记录了采样区的太空风化改造历史.研究发现,嫦娥五号月壤颗粒的表面广泛分布有微撞击坑、矿物解理面、气化沉积物、覆盖的玻璃质等典型的形貌特征,反映了在以陨石、微陨石轰击为主的太空风化改造过程中,冲击破碎、熔融溅射、气化沉积等作用对月壤颗粒形貌特征的改造.该结果梳理了月壤颗粒中太空风化作用的典型形貌改造特征,从而帮助我们更好地理解月壤的形成与演化过程.

月壤样品研究进展

月壤是研究无大气天体表面过程和月球演化的重要样品.自Apollo时代以来,月壤的相关研究如成因、组分及性质等均已取得了重要进展,并已对早期研究成果进行了详细总结和论述.随着嫦娥5号月壤样品的返回,关于月球样品的研究在我国获得前所未有的关注,亟需总结近年来月壤研究的重点领域及相关成果.本文基于月壤形成的过程,即继承的内部物质和遭受的外部改造,从月壤记录的太空风化作用和月球地质演化两方面综述了月壤研究的前沿成果.依据外部作用(太阳风、宇宙射线、陨石等)对月壤的改造,从以下四部分内容论述了太空风化作用对月壤组成的影响,即月壤中的水、挥发分、纳米相矿物、微陨石和陨石碎片.另一方面,月壤继承的月球内部物质均可用于月球演化研究,基于此总结讨论了全月壤、火山玻璃及岩屑的研究进展.最后,根据未来建设月球科研站的需要,从矿产资源、水和能源及月壤成型等方面概述了月壤资源利用的相关研究.通过总结月壤研究的主要成果,有助于发掘月球科学的前沿领域,为我国月壤样品的研究提供科学依据.