深化月球演化认知雷达观测揭示月球风化层介电特性丨观天测地

　　编者按：从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设＂观天测地＂专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。
　　近日，中国科学院空天信息创新研究院（空天院）王宇研究员团队在研究月球风化层介电特性时，通过引入简缩极化散射相似性参数，提出了一种基于简缩极化合成孔径雷达（SAR）的月表介电常数反演方法。基于该方法，研究人员利用S波段Mini-RF SAR数据分析了不同地质背景下陨石坑底部风化层的介电特性。研究发现，对于直径为5-25 km的陨石坑，风化层细粒介电常数的实部与陨石坑深径比存在正相关，而与陨石坑直径没有明显的相关性。此外，永久阴影区的风化层细粒平均介电常数低于月海和高地，这意味着永久阴影区可能拥有更加松散的风化层物质。
　　研究背景
　　月球表面在早期火山活动和陨石撞击产生的熔融、溅射、翻耕以及太空风化等内外动力地质过程的长期作用下，形成了一层厚度达数米深的月表风化层细粒。作为月球乃至其周边太阳系环境变迁的见证者与记录者，这些风化层是我们用于推测月球演化历史的重要＂文物＂，也是现今月球遥感探测的最直接对象。SAR作为一种主动式微波遥感技术，也已被用于月球探测，如搭载于印度月船一号的Mini-SAR（2008）、美国月球轨道侦察器（LRO）的Mini-RF（2009）和印度月船二号的DF-SAR（2019）。相比于光学和红外等手段，SAR可以探测到月球极区永久阴影区内部的风化层，且可穿透表面探测风化层内部构造，进而表征具有一定厚度的风化层的总体特性。
　　研究成果与意义
　　研究人员首先利用S波段Mini-RF SAR数据对Apollo-14、Apollo-16、Apollo-17和嫦娥五号着陆区的采样点进行了介电常数反演（图1示意了Apollo-17着陆区用于介电常数反演的采样区域）。反演结果与实验室测得的采样返回样品介电常数对比如图2。结果表明反演得到的介电常数和实验室测量值吻合良好，估计的均方根误差仅为0.53。
　　图1 Apollo-17着陆区：（a）采样轨迹图（绿色图钉表示研究选取的采样地点）；（b）归一化S波段Mini-RF雷达强度图（红色矩形标示出了对应于采样点的介电常数反演区域）；（c）简缩极化散射相似性参数图
　　图2 月表风化层介电常数反演值与返回样品实验室测量值对比
　　为探究月表介电常数变化与月表演化的联系，研究人员继续选取了具有不同深径比（深度与直径之比）的52个撞击坑（撞击坑分布如图3）用于坑底风化层介电常数反演，这些撞击坑分布在极区永久阴影区、月海区域、高地区域三种不同地质环境下。撞击坑形成后，会受太空风化作用、物质坡移等影响而逐渐变浅，即深径比变小。因此，撞击坑的深径比可作为其退化状态的表征。研究发现，撞击坑底部风化层的介电常数和深径比存在正相关，即深径比越大，介电常数越高（图4）。
　　实验室对返回样品研究发现，月壤的介电常数和月壤密度成幂率关系，同时月表石块的典型介电常数（6-8）要高于月壤的典型介电常数（2.7）。因此可以推测深径比较大的撞击坑，由于较为年轻，受到风化作用较少，表面和浅表层仍存在厘米级的石块，月壤风化层密度较大，因此介电常数较高。而随着时间的推移（即撞击坑深径比变小），坑底石块受太空风化和微陨石轰击的影响而破碎，逐渐形成细粒度、松散的月壤风化层，从而使得坑底介电常数变小。
　　图3 用于介电特性分析的52个撞击坑全月分布：（a）北极>78°N；（b）南极>78°S；（c）非极区71.5°S-71.5°N
　　图4 所选52个撞击坑底部风化层的介电常数与深径比的关系
　　为验证上述结论，研究人员继续分析了上述撞击坑底部风化层的光学成熟度（OMAT）和深径比的关系（图5）。月壤的相对OMAT值可以在一定程度上反映其暴露于月表太空中的时间长短，即其经受风化作用的时间越短，OMAT值越高。对比发现在月海区域，介电常数越高的撞击坑也具有更高的OMAT值。这证实了撞击坑坑底风化层介电常数高低表征了月壤受风化程度大小的推测。但是对于高地撞击坑，并未发现坑底OMAT值和其深径比存在相关性，这可能是由于高地和月海区域风化层厚度和组分的差异导致。
　　图5 月海和高地区域撞击坑底部风化层的光学成熟度与深径比的关系
　　研究还发现，在所选的撞击坑中，极区永久阴影区撞击坑坑底的平均介电常数（3.01）要小于月海（3.43）和高地（4.13）的平均介电常数。这表明相比于中纬度地区，永久阴影区内的撞击坑坑底可能具有更加疏松的风化层。
　　当前，空天院正在研制月球微波成像雷达，其将搭载于嫦娥七号，对全月进行观测成像。相比于美国LRO上搭载的Mini-RF，嫦娥七号月球微波成像雷达具有全极化探测模式，且分辨率更高，L波段可达1m分辨率，Ku波段可达0.3 m分辨率，因此有望对月表介电常数进行更加精细、准确地刻画，从而揭示更多新的月表演化规律。
　　此项研究以 Investigating the Dielectric Properties of Lunar Surface Regolith Fines using Mini-RF SAR Data 为题，于2023年1月发表于 ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 。第一作者高瑶，现为空天院微波成像技术国家级重点实验室在读博士生，通讯作者陆萍萍，现为空天院微波成像技术国家级重点实验室副研究员。研究工作得到了国家杰出青年科学基金等项目的资助。参考文献：
　　Gao Y, Dang Y, Lu P, Hou,W., Zhao, F., et al. Investigating the dielectric properties of lunar surface regolith fines using Mini-RF SAR data[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2023, 197: 56-70. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2023.01.008
　　来源：中国科学院空天信息创新研究院
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