胡碩,孟治國(guó),朱蘊(yùn)哲,連懿,李翠,GUSEV Alexander
(1. 吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130021;2. 中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;3. 天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,天津 300387;4. Geology Institute, Kazan Federal University,Kazan 420008,Russia)
“嫦娥4號(hào)”(Chang’e-4)將要實(shí)現(xiàn)月球背面第一次登陸探測(cè),著陸區(qū)初步選定為月球背面南極–艾肯(South Pole-Aitken,SPA)盆地內(nèi)的馮·卡門(Von Kármán)撞擊坑[1]。微波輻射計(jì)(Chang’E Lunar Microwave Sounder,CELMS)數(shù)據(jù)對(duì)溫度和成分非常敏感[2],因此基于CELMS數(shù)據(jù)的Von Kármán撞擊坑微波輻射特性分析對(duì)Chang’e-4著陸區(qū)的選擇具有極為重要的參考價(jià)值。
SPA盆地形成于前酒海紀(jì),被認(rèn)為是太陽系中最大、最古老的撞擊盆地,此處具有較薄的月殼,對(duì)它的研究有可能揭露下月殼甚至上月幔的物質(zhì)狀況,是研究月球深部物質(zhì)組成的重要窗口[3-5]。Von Kármán撞擊坑位于月球背面SPA盆地的北部,坑內(nèi)大部分區(qū)域被月海玄武巖覆蓋,Haruyama等基于Kaguya TC數(shù)據(jù)的撞擊坑計(jì)數(shù)法表明這些玄武巖屬于雨海紀(jì),約3.35 Ga[6]。Apollo、LP(Lunar Prospector)、“嫦娥1號(hào)”(Chang’e-1)等搭載的伽馬射線儀的探測(cè)顯示,Von Kármán撞擊坑具有明顯的釷富集現(xiàn)象[7-11]?;贑lementine UV/VIS和NIR數(shù)據(jù),Borst等發(fā)現(xiàn)Von Kármán撞擊坑填充為高鈣輝石,明顯不同于周圍其它大型撞擊坑[12]。Snape等基于可見光和伽馬射線成果,分析了該區(qū)域的特征,認(rèn)為Von Kármán撞擊坑的物質(zhì)成分分布可以為月球巖漿的形成演化提供重要依據(jù)[13]。但是,可見光數(shù)據(jù)沒有穿透性,且月表物質(zhì)受太空風(fēng)化以及撞擊濺射帶來的物質(zhì)混染影響比較嚴(yán)重,這對(duì)月球巖漿的形成及演化的研究是不利的。
CELMS數(shù)據(jù)具有一定的穿透能力,對(duì)溫度和成分非常敏感,可以提供完全有別于可見光–近紅外–熱紅外數(shù)據(jù)的重要的淺層月壤成分和溫度信息[2,14]。雖CELMS數(shù)據(jù)在絕對(duì)定標(biāo)方面存在一定問題[15-17],但相對(duì)而言,CELMS數(shù)據(jù)可很好地反映月表典型區(qū)域物質(zhì)成分及內(nèi)部熱特性參數(shù)分布特征[2,18-19]。因此,本研究擬采用“嫦娥2號(hào)”(Chang’e-2)衛(wèi)星CELMS數(shù)據(jù),進(jìn)行Von Kármán撞擊坑微波熱輻射特性研究,以期為著陸區(qū)的合理選擇提供有意義的參考。
研究區(qū)域?yàn)?1~49 °S,和171~177 °W,包括了Von Kármán撞擊坑及其周圍的月陸地區(qū)(圖1(a))。圖1(b)是該地區(qū)的地質(zhì)圖[20]。圖1表明,Von Kármán撞擊坑在物質(zhì)成分上具有簡(jiǎn)單性和均一性,明顯分為西南部的玄武巖區(qū)域、較小的中央峰區(qū)域和東北部的SPA盆地的初始物質(zhì)區(qū)域。
圖1 Von Kármán撞擊坑影像圖和地質(zhì)圖Fig. 1 Image and geological map of Von Kármán crater
CELMS數(shù)據(jù)第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)月壤的被動(dòng)微波探測(cè),可以獲取在3、7.8、19.35 及37 GHz頻率上的月球微波熱輻射數(shù)據(jù),具有全球最高的空間和溫度分辨率,是研究淺層月壤成分和溫度特征的極佳的數(shù)據(jù)源[14,21]。
研究使用了CE-2獲取的CELMS數(shù)據(jù),觀測(cè)角為0°,亮溫分辨率約為0.5 K,為從2010年10月到2011年5月的大量探測(cè)數(shù)據(jù),每條數(shù)據(jù)都包含了經(jīng)度、緯度、4個(gè)頻率的亮溫等數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)域范圍,總共選出19 675個(gè)相關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)用于本研究。
考慮到月表溫度隨觀測(cè)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大改變,對(duì)研究造成較大影響,為此引入了時(shí)角概念,以選擇具有相近時(shí)角的月表亮溫?cái)?shù)據(jù)[22]。通過對(duì)比分析,采用時(shí)角為0~1點(diǎn)和12~13點(diǎn)的CELMS數(shù)據(jù)成圖效果較好,可以用來代表午夜和正午的亮溫,且該數(shù)據(jù)異常條帶少,能較好地體現(xiàn)正午和午夜的亮溫分布情況。
然后,對(duì)所選取的數(shù)據(jù)使用雙線性插值方法進(jìn)行成圖處理,得到了分辨率為0.25°×0.25°的正午(圖2)和午夜(圖3)的亮溫分布圖。為了更好地理解亮溫的地質(zhì)意義,將Stuart-Alexander的地質(zhì)解譯結(jié)果矢量化后,疊加在圖2和3上(黑線)[20]。
圖2 Von Kármán撞擊坑正午亮溫分布圖Fig. 2 TB distribution at noon
圖3 Von Kármán撞擊坑午夜亮溫分布圖Fig. 3 TB distribution at midnight
由正午時(shí)刻Von Kármán撞擊坑的亮溫分布情況可知(圖2):總體上,Von Kármán撞擊坑底部亮溫呈大范圍連續(xù)分布。相對(duì)于比較簡(jiǎn)單的坑底地質(zhì)單元(圖1(b)),正午時(shí)刻的亮溫表現(xiàn)表明,該地區(qū)月壤的微波輻射情況較為復(fù)雜。3 GHz圖像上(圖2(a)),在撞擊坑內(nèi)的北部出現(xiàn)最高亮溫值,約為210 K,呈北東東向展布。在撞擊坑底南部,亮溫明顯較北部低4 K左右,而與撞擊坑附近的物質(zhì)的亮溫接近。隨著頻率的增加,北部的高亮溫區(qū)域變化不大,而南部亮溫增加很快,尤其是在37 GHz時(shí)(圖2(d)),比撞擊坑附近的物質(zhì)的亮溫高10 K以上。這表明了撞擊坑底部的北部和南部物質(zhì)成分隨深度的變化存在較大差異。西部偏南的區(qū)域在7.8 GHz(圖2(b))及更高頻率的圖像中出現(xiàn)了高亮溫的獨(dú)立區(qū)域,數(shù)值與撞擊坑北部最高亮溫處相當(dāng)。
由午夜時(shí)刻Von Kármán撞擊坑的亮溫分布情況可知(圖3):午夜時(shí)刻的亮溫表現(xiàn)與正午時(shí)刻出現(xiàn)了明顯差異。北部,正午時(shí)刻的高亮溫區(qū)域仍然表現(xiàn)為高亮溫;而在南部,出現(xiàn)明顯的以(176.13°E,45.41°S)為中心的低亮溫區(qū)域,通過對(duì)比影像圖判斷出該區(qū)域中心為一個(gè)小型撞擊坑。各區(qū)域之間的亮溫差異則隨著頻率的增大而更加明顯。這一方面證實(shí)了Von Kármán撞擊坑底部物質(zhì)成分的不均勻性,同時(shí)也表明了該區(qū)域月壤隨頻率或深度變化的復(fù)雜性。
月表溫度受太陽輻射影響很大,但在一定深度以下,月壤溫度是恒定的[23]。因此,同一頻率正午和午夜的亮溫差(圖4),直接反映了相應(yīng)的微波可穿透范圍內(nèi)月壤的熱物理特性[2]。
圖4 Von Kármán撞擊坑亮溫差圖Fig. 4 Map of TB difference in Von Kármán crater
圖4表明,3 GHz頻率上,Von Kármán撞擊坑的亮溫差要明顯高于周圍地區(qū),表明了這些區(qū)域的亮溫具有一定的典型性,再次證明了“嫦娥4號(hào)”(Chang’e-4)著陸區(qū)選擇的科學(xué)性。
3 GHz圖像(圖4(a))中,高亮溫差在北部和南部分別有一個(gè)區(qū)域較為明顯,南部最高的亮溫差比北部高1 K左右。隨著頻率的增加,南部和北部亮溫差的差值在增大。7.8 GHz圖像(圖4(b))中,差值約為2 K;而在37 GHz(圖4(d))圖像上,差值達(dá)到8 K左右。表明南部區(qū)域和北部區(qū)域的月壤在熱物理結(jié)構(gòu)上的差異,但這種差異隨著深度的增加而減小。
西南區(qū)域也有略高的亮溫差表現(xiàn),在3 GHz和37 GHz圖像中表現(xiàn)較為明顯。
同時(shí),在4個(gè)通道圖像上,再次出現(xiàn)了以(176.13 °E,45.41 °S)處撞擊坑為中心的亮溫差異常,呈現(xiàn)極高亮溫值。
另外,在撞擊坑?xùn)|部和東南部,呈現(xiàn)低亮溫差。這些再次證明,撞擊坑內(nèi)部月壤在熱物理特性方面的復(fù)雜性。
Stuart-Alexander和Borst等的研究結(jié)果認(rèn)為,Von Kármán撞擊坑充滿了玄武巖,物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為單一[12,20]。
圖2、3和4表明,基于可見光–近紅外數(shù)據(jù)的Von Kármán撞擊坑物質(zhì)成分研究具有較大的局限性。而根據(jù)不同區(qū)域的亮溫表現(xiàn)特征,總體上,可將撞擊坑底部重新劃分為5個(gè)部分。其中,區(qū)域I和II具有最高的正午和午夜亮溫及亮溫差值;區(qū)域III,正午亮溫明顯低于北部,但也略高于周圍地區(qū),而午夜則具有最低亮溫值,同時(shí)該地區(qū)具有全區(qū)最高亮溫差值;區(qū)域IV正午的亮溫值和亮溫差值都基本低于區(qū)域III,而午夜的亮溫值略高于后者。區(qū)域V的亮溫表現(xiàn)則介于區(qū)域I、II和區(qū)域IV之間。
圖5 Von Kármán撞擊坑亮溫圖和新地質(zhì)區(qū)域劃分Fig. 5 TB distribution with new geologic units
為具體體現(xiàn)各區(qū)域之間的亮溫差異,研究選取了3 GHz和37 GHz頻率下,正午和午夜的亮溫值及亮溫差值數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表1)。在正午時(shí)段,區(qū)域I和區(qū)域II都為高亮溫區(qū)域,比區(qū)域III高2 K左右;在37 GHz頻率時(shí),區(qū)域III也有較高亮溫,分別比區(qū)域IV和區(qū)域V高0.5 K和1 K。在午夜時(shí)段,區(qū)域III具有明顯的最低亮溫,區(qū)域IV次之,區(qū)域III在3 GHz頻率時(shí)分別比其他區(qū)域低1~2.5 K和0.5~2 K,在37 GHz頻率時(shí)則具有更大差距,比其他區(qū)域低3~5 K。對(duì)于亮溫差,在3.0 GHz頻率時(shí),區(qū)域II和區(qū)域III具有最大亮溫差比其他區(qū)域高0.5 K以上。在37.0 GHz時(shí),區(qū)域III最高,其次是區(qū)域II,比區(qū)域III低2 K,第三是區(qū)域I。
表1 亮溫均值區(qū)域統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of mean TB with new geologic units
王振占等、Fang等、Meng等認(rèn)為,溫度、(FeO+TiO2)含量、坡度等是亮溫高低的主要影響因素[14,24-25]。為了進(jìn)一步分析Von Kármán撞擊坑的亮溫特征及其物理意義,我們引入了基于LRO LOLA數(shù)據(jù)得到的坡度數(shù)據(jù)(圖6(a))和基于Clementine UV-VIS數(shù)據(jù)、采用Lucey方法得到的鈦鐵礦(FeO+TiO2)含量(FTA)(圖6(b))數(shù)據(jù)。
圖6 Von Kármán撞擊坑坡度圖和(FeO+TiO2)含量圖Fig. 6 Slope map and (FeO+TiO2) abundance map
圖6(a)表明,撞擊坑內(nèi)部較為平坦,坡度一般小于5°。因此,坡度不是撞擊坑內(nèi)部亮溫的直接影響因素。圖6(b)表明,區(qū)域III具有全區(qū)最高的(FeO+TiO2)含量值。與區(qū)域IV相比,其正午、午夜和亮溫差表現(xiàn)與Meng等的模擬結(jié)果吻合[26]。即,F(xiàn)TA含量高的地方,具有較高的正午亮溫和亮溫差。
但區(qū)域I和II的亮溫表現(xiàn)完全與此相悖,該地區(qū)FTA含量較小,其亮溫差明顯小于區(qū)域III,這是合理的;但是,區(qū)域I和II具有最高的正午亮溫和較高的午夜亮溫,亮溫值均高于FTA含量最大的III區(qū)。Meng等在月球東海的研究中也發(fā)現(xiàn)了此類現(xiàn)象,并結(jié)合理論模型把這種現(xiàn)象歸因于高的下墊面溫度[2]。
根據(jù)Von Kármán撞擊坑的亮溫表現(xiàn)及其與成分含量的關(guān)系,區(qū)域I和III都可以做為未來“嫦娥4號(hào)”的預(yù)選著陸區(qū)。
區(qū)域I在正午和午夜均表現(xiàn)為高亮溫,屬于月球熱點(diǎn)異常范疇,是月球科學(xué)研究的重要目標(biāo)之一[27-30]。Chan等基于“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星CELMS數(shù)據(jù),首次系統(tǒng)分析了月表熱異常的空間分布特征,認(rèn)為月表正午存在大量熱點(diǎn)[31]。宮曉蕙等結(jié)合被動(dòng)微波輻射傳輸模擬,解釋了Tycho地區(qū)的月表熱點(diǎn)異常,認(rèn)為月表熱異常與月表巖塊分布密切相關(guān)[32]。陳思等通過對(duì)CELMS數(shù)據(jù)和月表成分、坡度、表面粗糙度和巖塊豐度的對(duì)比分析,認(rèn)為表面粗糙度和巖塊豐度是Tycho地區(qū)熱異常的主要成因[23]。Meng等在Orientale海研究中,結(jié)合理論模型和觀測(cè)數(shù)據(jù),認(rèn)為高的下墊面溫度是月表熱異常的主要成因[2]。因此,區(qū)域I的著陸探測(cè)可以為月表熱點(diǎn)異常的解釋提供充足的實(shí)測(cè)資料。
筆者傾向于認(rèn)為該地區(qū)熱點(diǎn)異常的成因是高的下墊面溫度。如果是這樣,將為月球當(dāng)前的熱活動(dòng)特征提供重要數(shù)據(jù)保障,為進(jìn)一步研究月球熱演化歷史,以及淺層月殼熱活動(dòng)特征提供重要的直接證據(jù)。
區(qū)域III的亮溫表現(xiàn)與該地區(qū)具有較高的FTA相一致。在該地區(qū)的著陸,可以采集到質(zhì)量較高的月海玄武巖樣本。同時(shí),該區(qū)域具有全區(qū)最高的FTA含量,但其地形特征表明這不是一個(gè)火山機(jī)構(gòu)。對(duì)該地區(qū)的考察,將解決如下科學(xué)問題:什么原因產(chǎn)生的以該撞擊坑為中心的高FTA含量,以及其對(duì)該地區(qū)火成演化機(jī)制的作用。
同時(shí),與區(qū)域III相鄰的IV區(qū),亮溫隨頻率的變化非常明顯,推測(cè)其原因?yàn)樵氯罒嵛锢硖匦噪S深度的變化。同樣,對(duì)區(qū)域I、III、IV的考察都將會(huì)核實(shí)這個(gè)情況,同時(shí)將為基于CELMS數(shù)據(jù)的月壤熱特性參數(shù)研究提供重要支撐。
Von Kármán撞擊坑作為“嫦娥4號(hào)”的預(yù)定著陸區(qū)域,具有較高的科學(xué)價(jià)值。本研究基于“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星CELMS數(shù)據(jù)和Clementine UV-VIS數(shù)據(jù),對(duì)該地區(qū)的微波熱輻射特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)果表明:
1)Von Kármán撞擊坑北部,正午和午夜的亮溫都較高,初步推測(cè)成因?yàn)榫哂休^高的下墊面溫度,且該地區(qū)的月壤熱物理特性不隨深度變化。
2)撞擊坑南部,鈦鐵礦含量是亮溫的主要影響因素,且該地區(qū)月壤熱物理特性隨深度變化很大。
3)基于該地區(qū)的亮溫表現(xiàn),對(duì)撞擊坑內(nèi)部重新進(jìn)行了地質(zhì)單元?jiǎng)澐趾驮u(píng)價(jià)。
4)根據(jù)研究成果的重要性,進(jìn)行了“嫦娥4號(hào)”著陸的優(yōu)先性分析。I區(qū)可以做為“嫦娥4號(hào)”著陸的優(yōu)先選擇區(qū)域,這里具有較高的正午和午夜溫度,且下墊面溫度可能較高。其次為III區(qū)和IV區(qū)。
如果能夠結(jié)合原位探測(cè)數(shù)據(jù),證實(shí)淺層月壤的熱物理參數(shù)及CELMS數(shù)據(jù)在月壤溫度研究中的作用,將是月球科學(xué)研究的重要突破,對(duì)進(jìn)一步研究淺層月殼熱活動(dòng)等具有重要意義。
致謝本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371332)和遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(Grant No.OFSLRSS201706)資助。在此表示感謝!
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