王曉倩，崔 峻,2，李 菡，付曉輝，劉 斌，李春來

(1. 中國科學院月球與深空探測重點實驗室 (國家天文臺)，北京 100012；2. 南京大學，江蘇 南京 210093)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

月球磁異常區(qū)的光學特性探討*

王曉倩1，崔 峻1,2，李 菡1，付曉輝1，劉 斌1，李春來1

(1. 中國科學院月球與深空探測重點實驗室 (國家天文臺)，北京 100012；2. 南京大學，江蘇 南京 210093)

月球無全球性磁場，在某些大型撞擊坑的對峙區(qū)域存在較強的磁場強度。這些磁場異常區(qū)域往往與光學異常區(qū)域呈地理相關，推斷與磁異常誘發(fā)的微磁層弱化空間風化效應有關。嫦娥一號衛(wèi)星攜帶的干涉成像光譜儀獲取了月球表面可見光-近紅外波長范圍內(nèi)32個波段的光譜，為研究月球空間風化效應提供了一個可能物理量——月表反射率。通過對幾個常見磁異常結構磁場內(nèi)外區(qū)域的平均光譜對比發(fā)現(xiàn)，磁場內(nèi)區(qū)域反射率一般高于磁場外區(qū)域。這一結果對月球表面空間風化效應的研究產(chǎn)生了新的推動。

空間風化；月球磁異常區(qū)域；月球漩渦；微磁層

1 月球表面的空間風化

空間風化是所有暴露在嚴苛空間環(huán)境中的天體表層經(jīng)歷的一系列變化過程的總稱，也是太陽系中無大氣天體的重要過程[1]。對于月球而言，月球沒有大氣層，隕石、微隕石、太陽風和宇宙射線等各種粒子可以長驅直入，共同作用于月表，對月球表面的物質(zhì)成分和化學物理特征造成影響，在一定程度上改變月球表面的性質(zhì)。這種空間風化作用對月表光學特征的影響主要包括：從可見光到近紅外反射率的降低-變暗；礦物吸收特征峰強度減弱；改變光譜斜率，使之變紅[2]。模擬實驗和月壤樣品系統(tǒng)分析的結果表明，不同含量的納米鐵顆粒引起了光譜“變暗”和“變紅”的效應。對于月壤中納米鐵的形成機制，目前存在兩種認識：一是太陽風離子注入過程中，H+和He2+將月壤中的Fe2+還原成單質(zhì)鐵[3]；二是微隕石撞擊引起的汽相揮發(fā)物，再沉積在月壤表面形成單質(zhì)鐵[4-5]。

迄今為止所有的月球探測結果表明，如今的月球不存在全球性偶極磁場[6]，而月球樣品存在的剩余磁場特征表明，月球演化的早期可能存在過全球性的偶極磁場。目前通過繞月軌道衛(wèi)星磁力計測量、月球登陸車攜帶磁力計的直接測量和返回樣品的磁學實驗研究這3種觀測月球磁場的途徑，科學家發(fā)現(xiàn)月表具有許多區(qū)域性表面剩余磁場，磁場強度比地球低5個數(shù)量級，一般僅為nT量級，稱之為月表磁異常[7]。阿波羅登月計劃中也進行過月表磁場探測的研究[8]。文[9]利用美國勘探者號探測器電子反射儀和磁力計數(shù)據(jù)對月球1∶100 000比例尺上的磁場特性進行了研究，并繪制了月球磁場分布圖；結果表明，月表的最低磁場強度主要集中在月海，強磁場主要集中在大型撞擊坑的對峙區(qū)域。在此后，包括中國嫦娥二號[10]、日本月亮女神號、印度月船一號[11]在內(nèi)相繼的月球探測中，也對月表磁異常進行了考察。

在這些磁異常區(qū)域，空間風化作用又是如何呢？文[12]認為，磁異常誘發(fā)形成微磁層，會弱化空間風化效應。原因是微磁層屏蔽了引起空間風化的因素之一——太陽風離子的入射，使得磁異常區(qū)域內(nèi)被還原的納米單質(zhì)鐵減少，從而一定程度上保持了原有的光學特性。我國首次繞月探測衛(wèi)星嫦娥一號于2007年10月24日發(fā)射，2009年3月1日完成使命撞向月球。其攜帶的干涉成像光譜儀用于獲取月球表面物質(zhì)成分，可見光近紅外32個波段的高分辨率、波長連續(xù)的光譜，為確定月表礦物吸收精細光譜位置提供了保障[13]。同時，也為研究月表空間風化效應提供了一個可能的物理量——月表反射率。

本文通過嫦娥一號干涉成像光譜儀數(shù)據(jù)對月表磁異常的光學特性進行分析，闡述了月表磁異常對空間風化的改造效應，為深入認識磁異常和空間風化的相互關系提供觀測依據(jù)，進一步增進對月球表面與太陽風相互作用的理解與認識。

2 數(shù)據(jù)處理

嫦娥一號探月衛(wèi)星搭載的干涉成像光譜儀用于獲取月表元素和礦物信息。它采用基于面陣推掃式的Sagnac干涉型成像光譜儀方案，當衛(wèi)星高度為200 km時，數(shù)據(jù)的刈幅為25.6 km，月表地元分辨率為200 m，光譜通道共有32個譜段，譜段范圍為480～960 nm[14]。其中一些波段出現(xiàn)了異?；蛘咝旁氡群艿?，如低波段480 nm、488 nm、496 nm、504 nm、513 nm和長波段918 nm、946 nm。這些波段不適宜用于信息提取，甚至會影響正常波段的應用效果，使用時應首先剔除。目前，中國繞月探測工程地面應用系統(tǒng)提供的最高級別成像光譜數(shù)據(jù)為2C級產(chǎn)品，像元值為月表反射率值，該數(shù)據(jù)經(jīng)過了暗電流糾正、平場糾正、輻射亮度轉換及光學歸一化等預處理，消除了太陽高度角等對光譜的影響，是描述月球表面反射太陽輻射能與入射輻射能之比這一物理性質(zhì)的重要物理量，數(shù)據(jù)覆蓋了全月球約78%的面積[15]。利用干涉成像光譜儀數(shù)據(jù)，文[16]作者初步得到了月球表面危海附近的FeO分布圖，文[13]作者獲得了全月表礦物中心吸收圖。

干涉成像光譜儀為驗證磁異常區(qū)域的光譜特征提供了可能。由于干涉成像光譜儀數(shù)據(jù)近950 nm譜段的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，不適于做近紅外光譜比值比較(950 nm/750 nm)來考察空間風化的變紅效應。利用干涉成像光譜儀的多波段特性和反射率數(shù)據(jù)，選取了如表1的4個磁異常結構——格拉西莫維奇、戈達德、哥倫布和賴納伽馬區(qū)域，在這些磁異常結構的內(nèi)外各選取幾個臨近的小區(qū)域，通過隨機采樣相同數(shù)量的點，計算繪制平均光譜考察空間風化是否帶來變暗效應。文中所使用的磁場數(shù)據(jù)來源于美國月球勘探者號磁力計和電子反射儀數(shù)據(jù)[17]。

表1 備選磁異常結構

3 典型月球磁異常的光學特性討論

月球長期處于無大氣保護狀態(tài)，其發(fā)生空間風化作用的主要地質(zhì)營力是微隕石撞擊和太陽風離子的注入。太陽風主要通過離子注入和濺射與月表物質(zhì)發(fā)生相互作用；隕石和微隕石撞擊導致月表物質(zhì)破碎、混合，并使其熔融、氣化?？臻g風化會改變月壤的光譜特征，特別是反射率變低(變暗)及隨波長增加而增大(變紅)，其主要原因是納米鐵導致[18]，月壤中納米鐵含量與樣品全巖的鐵含量比值通常用作衡量月壤成熟度的指標[19]，空間風化程度越高的月壤，其成熟度也越高。有研究指出納米鐵的形成機制為太陽風中的H+和He2+將撞擊熔融礦物中的Fe2+還原為游離鐵[20]，或太陽風離子濺射和微隕石撞擊產(chǎn)生的氣相在沉淀過程中，F(xiàn)e2+被還原成納米鐵。目前還難以區(qū)分太陽風離子濺射和微隕石撞擊作用在改變月壤反射光譜和形成納米鐵中各自的貢獻?？紤]到微磁層對太陽風的屏蔽作用，推測微磁層會弱化空間風化的效應，從而磁異常區(qū)域的光譜特征得以保護，因而沒有周圍區(qū)域顯得變黑及變紅。在月球表面存在一種光學異常的現(xiàn)象——月球漩渦，是月球上一種具有高反射率、形態(tài)蜿蜒的月表特征，在月海與高地均有分布[21]。探測數(shù)據(jù)表明，月球漩渦往往和月球磁異常的空間位置存在一定的相關性，有漩渦的地方常會有磁異常存在，相反，月球磁異常的周圍未必存在月球漩渦[22]。研究月球漩渦形成的過程與機制，為何與月球磁異常相關有助于理解行星表面與太陽風的相互作用?；诖?，本文采用嫦娥一號干涉成像光譜儀數(shù)據(jù)對月球漩渦及其附近區(qū)域的平均反射光譜結合磁異常特征進行比較研究。

3.1 格拉西莫維奇撞擊坑

格拉西莫維奇撞擊坑位于月球背面的高地，東海的西部。美國月球勘探者號磁場數(shù)據(jù)探明在此存在磁場較強的磁異常結構，并且是目前月球上發(fā)現(xiàn)的磁場強度最強的區(qū)域。該磁異常結構在危海的對峙區(qū)，有兩個較強的磁場峰值，北邊的峰值位于(20.5°S, 237°E)，南邊的峰值位于(23°S, 239°E)，30 km高度的磁場值分別為28 nT和23 nT[22]。在磁異常區(qū)域內(nèi)有一個著名的漩渦結構，位于赫維留撞擊坑的邊緣[23]，在圖1白色箭頭標識處。

利用印度月神一號的亞千電子伏原子反射分析儀(Sub-keV Atom Reflecting Analyzer, SARA)在格拉西莫維奇磁異常區(qū)探測的微磁層結果顯示：該區(qū)域存在跨度約360 km、厚度約300 km的密度增厚的等離子體流[24]，應為受磁場屏蔽而堆積的太陽風離子所致。

圖1 格拉西莫維奇磁異常區(qū)。圖1(a)為該區(qū)域縮略圖，底圖使用嫦娥二號CCD立體相機數(shù)據(jù)疊加嫦娥一號IIM光譜儀數(shù)據(jù)。圖幅以118°W，25°S為中心。由于IIM光譜儀數(shù)據(jù)覆蓋不夠全面，在圖中呈現(xiàn)柵格狀態(tài)，并繪制磁場等高線。圖中白色箭頭指示漩渦所在區(qū)域，黑色箭頭為撞擊坑格拉西莫維奇D撞擊坑(CratorGerasimovich D)。右側為磁場等高線顏色取值表。圖1(b)為圖1(a)中所選4個小區(qū)域的詳細圖，標注為A、B、C、D

Fig.1 The Gerasimovich lunar magnetic anomaly. The image in (a) is a top view of the relevant region. The image is from the stacking of a CCD image taken by the stereo camera of the Chang’E-2 and an image taken by the IIM spectrometer of the Chang’E-1. The image center is at (118°W, 25°S), and the image is overlaid with contours of magnetic-field strengths. The darker line-like intervals are where IIM data do not cover. The white arrows denote the local magnetic centers and the black arrow denotes the Crator Gerasimovich D. The contour levels for different colors are labelled on the right-hand side of the image. The image in (b) is a mosaic of the zoomed-in displays of the image in (a) for four small regions marked in (a) as A, B, C, and D

本文使用嫦娥一號IIM 2008年5月30日至6月1日途經(jīng)格拉西莫維奇磁異常區(qū)期間的光譜數(shù)據(jù)進行分析。該磁場有兩個磁場峰值，在磁場內(nèi)選取兩個區(qū)域B(123.14°W～122.52°W，20.46°S～19.8°S)和C(123.14°W～122.52°W，23.75°S～23.10°S)，磁場外選取兩個區(qū)域A(123.06°W～122.43°W，15.77°S～15.11°S)和D(123.20°W～122.58°W，27.31°S～26.65°S)，磁場內(nèi)區(qū)域B和C的磁場較高，特別是B區(qū)，約為25～27 nT，磁場外區(qū)域A和D磁場值低于8 nT。

在這4個區(qū)域隨機采樣1 000個點，將其光譜值進行累加平均并繪制光譜圖(圖2)?？梢钥闯?，磁場內(nèi)區(qū)域B和區(qū)域C的平均光譜要高于磁場外區(qū)域A和區(qū)域D，顯示該磁異常區(qū)域內(nèi)的表面反射率高于非磁異常區(qū)。

3.2 戈達德

戈達德是危海對峙區(qū)的磁異常區(qū)域，臨近月球正面的界海，磁場強度最高為12 nT，出現(xiàn)在戈達德A撞擊坑附近。該區(qū)域內(nèi)部也存在已確認的月球漩渦，分布在磁場中心附近。文[25]對該地區(qū)進行地質(zhì)學分析后認為該區(qū)域的高反射率歸因于未被風化的物質(zhì)，但不能確認究竟由磁場屏蔽還是彗星撞擊沖刷作用引起。

圖3是戈達德磁異常結構。該磁場結構峰值區(qū)域位于(16°N，95°E)。

圖2 格拉西莫維奇中所選4個區(qū)域的平均光譜圖

Fig.2 The average reflectance curves for the four small regions marked in Fig.1(a)

同樣選取磁場內(nèi)區(qū)域F(94.14°E～94.78°E, 16.30°N～16.94°N)，磁場外區(qū)域E(94.14°E～94.78°E, 18.45°N～19.10°N)和G(194.14°E～94.78°E, 14.37°N～15.02°N)。通過采樣相同點數(shù)對比其平均光譜，結果如圖4，顯示磁場內(nèi)區(qū)域的平均光譜略高于磁場外區(qū)域。

圖3 戈達德磁異常區(qū)。圖3(a)為該區(qū)域縮略圖，底圖使用嫦娥二號CCD立體相機數(shù)據(jù)疊加嫦娥一號IIM光譜儀數(shù)據(jù)。圖幅以101°E，22°N為中心。磁場等高線情況同圖1。圖中白色箭頭指示漩渦所在區(qū)域，黑色箭頭為戈達德A撞擊坑(Crator Goddard A)。圖3(b)為圖3(a)中所選3個小區(qū)域的詳細圖，標注為E、F、G

Fig.3 The Goddard lunar magnetic anomaly. The image in (a) is a top view of the relevant region. The image is from the stacking of a CCD image taken by the stereo camera of the Chang’E-2 and an image taken by the IIM spectrometer of the Chang’E-1. The image center is at (101°E, 22°N), and the image is overlaid with contours of magnetic-field strengths. The white arrows denote the local magnetic centers and the black arrow denotes the Crater Goddard A. The image in (b) is a mosaic of the zoomed-in displays of the image in (a) for three small regions marked in (a) as E, F, and G

3.3 哥倫布

哥倫布磁異常區(qū)位于月球正面赤道附近的高地，北臨豐富海，西臨哥倫布撞擊坑，是赫茨普龍撞擊坑的對峙區(qū)。圖5顯示了哥倫布磁異常區(qū)域的情況。>磁場強度最高為10 nT，內(nèi)部沒有明顯可辨的漩渦結構。但有東南側斯蒂文撞擊坑的輻射紋通過。圖5(b)為所選磁場內(nèi)外的區(qū)域分別為H和I。其中，H(47.92°E～48.66°E, 15.79°S～14.93°S)位于磁場外；I(51.41°E～52.15°E, 15.79°S～14.93°S)位于磁場內(nèi)，所在位置伸向豐富海深處。

所選區(qū)域的平均光譜如圖6，磁場內(nèi)區(qū)域平均光譜高于磁場外區(qū)域。

3.4 賴納伽馬

圖4 戈達德磁異常區(qū)中所選3個區(qū)域的平均光譜圖

Fig.4 The average reflectance curves for the three small regions marked in Fig.3(a)

賴納伽馬磁異常區(qū)域位于月球正面風暴洋西部的月海內(nèi)，磁場強度可達22 nT。沒有撞擊坑在其對峙區(qū)，但與磁場重疊的區(qū)域有一個典型的光學異?！嚰{伽馬漩渦[26]，其具有環(huán)狀、蜿蜒、高亮，內(nèi)部有一條暗帶的形態(tài)，是月球目前唯一形態(tài)發(fā)展較為成熟的漩渦，已經(jīng)被廣泛地研究[27-33]。

圖5 哥倫布磁異常區(qū)。圖5(a)為該區(qū)域縮略圖，底圖使用嫦娥二號CCD立體相機數(shù)據(jù)疊加嫦娥一號IIM光譜儀數(shù)據(jù)。圖幅以49°E，12°N為中心。磁場等高線情況同圖1，黑色箭頭指示哥倫布撞擊坑(Crator Colombo)。圖5(b)為圖5(a)中所選兩個小區(qū)域的詳細圖，標注為H、I

Fig.5 The Colombo lunar magnetic anomaly. The image is from the stacking of a CCD image taken by the stereo camera of the Chang’E-2 and an image taken by the IIM spectrometer of the Chang’E-1. The image center is at (49°E, 12°N), and the image is overlaid with contours of magnetic-field strengths. The black arrow denotes the Crater Colombo. The image in (b) is a mosaic of the zoomed-in displays of the image in (a) for two small regions marked in (a) as H and I

文[22]作者提出該區(qū)域中心地帶的成熟度遠低于背景區(qū)域，中心地帶的平均氧化鐵含量為16 wt.%，略低于其南北臨近區(qū)域的背景值19 wt.%，因此該區(qū)域的光學異常更多來源于月壤成熟度差異而非物質(zhì)成分不同。

采用同樣方法繪制了磁場內(nèi)外的平均光譜，如圖8，結果顯示磁場內(nèi)反射率值高于磁場外。

4 結 論

磁異常結構通過磁重連等過程使入射太陽風粒子減速偏轉并加熱，會在月表附近形成微磁層結構。對于微磁層的存在，文[34]作者通過二維磁流體動力學(Magneto Hydro Dynamics, MHD)模擬太陽風與磁異常結構的相互作用演示了微磁層形成的可能，文[24, 35]作者等分別給出了觀測支持。微磁層的屏蔽作用使得誘發(fā)空間風化效應的重要成因之一——太陽風離子注入減少，被還原的納米鐵減少，從而使磁場內(nèi)部的月壤成熟度低于周圍背景環(huán)境，月表的光譜特征受到干擾，反射率高于未受磁場保護的鄰近區(qū)域。

圖6 哥倫布磁異常區(qū)中所選兩個區(qū)域的平均光譜圖

Fig.6 The average reflectance curves for the two small regions marked in Fig.5(a)

圖7 賴納伽馬磁異常區(qū)。圖7(a)為該區(qū)域縮略圖，底圖使用嫦娥二號CCD立體相機數(shù)據(jù)疊加嫦娥一號IIM光譜儀數(shù)據(jù)。圖幅以(58°W，8°N)為中心。磁場等高線情況同圖1。白色箭頭指示漩渦所在，黑色箭頭指示賴納伽馬撞擊坑(Crator Reiner Gamma)。圖7(b)為圖7(a)中所選3個小區(qū)域的詳細圖，標注為J、K、L

Fig.7 The Reiner lunar magnetic anomaly. The image is from the stacking of a CCD image taken by the stereo camera of the Chang’E-2 and an image taken by the IIM spectrometer of the Chang’E-1. The image center is at (58°W, 8°N), and the image is overlaid with contours of magnetic-field strengths. The white arrows denote the local magnetic centers and the black arrow denotes the Crater Reiner. The image in (b) is a mosaic of the zoomed-in displays of the image in (a) for three small regions marked in (a) as J, K, and L

本文選取了月球磁場強度較高的4個區(qū)域，其中3個磁異常區(qū)內(nèi)存在光學異?！鰷u結構。通過對比其磁場內(nèi)外的反射率特性，希望提供磁異常結構對空間風化弱化效應的新信息。結果顯示，不論在磁異常結構內(nèi)存在漩渦的區(qū)域，如格拉西莫維奇、戈達德和賴納伽馬磁異常區(qū)域，還是不存在漩渦的區(qū)域，如哥倫布磁異常區(qū)，都有一個共同的規(guī)律，即磁場內(nèi)區(qū)域的平均反射率值要高于磁場外區(qū)域。特別是對于磁場內(nèi)沒有明顯光學異常的哥倫布磁異常區(qū)，選取的磁場內(nèi)外兩塊區(qū)域中心相距約70 km，均位于月球正面的高地，東側毗鄰豐富海，從肉眼判斷其地形地貌較為接近，難以區(qū)分反射率高低。但IIM的平均反射率結果顯示，磁場內(nèi)平均反射率值略高。

圖8 賴納伽馬磁異常區(qū)中所選3個區(qū)域的平均光譜圖

Fig.8 The average reflectance curves for the three small regions marked in Fig.7(a)

造成不同區(qū)域的光譜特性不同的因素有多種：地形、物質(zhì)成分、光照條件、磁場等。本文選取磁場內(nèi)外的區(qū)域時，盡量選擇地形一致的區(qū)域，以減弱不同地形帶來的影響；同時，干涉成像光譜儀2C級數(shù)據(jù)已經(jīng)過太陽高度角的歸一化處理，光照條件已一致；利用文[22]的結論，認為磁場內(nèi)外的物質(zhì)成分差異不大；排除以上因素，分析磁場是影響月表光學特性的重要因素之一。正如前文所述，在磁場誘發(fā)形成微磁層的影響下，由于入射太陽風離子的減少，和月壤的相互作用減少，被還原的納米鐵減少，月表被空間風化的程度減弱，因此磁場區(qū)域的光學特性得以保持。本文利用嫦娥一號干涉成像光譜儀數(shù)據(jù)給出了觀測證實，支持了月表磁異常區(qū)的光譜特性和磁場屏蔽作用直接相關的理論推測。

嫦娥一號攜帶的干涉成像光譜儀在繞月期間共獲取了711軌數(shù)據(jù)，覆蓋了月球表面大部分磁異常區(qū)域，為全面考察磁異常區(qū)域的光譜特性提供了大樣本支持。后續(xù)工作將基于這些數(shù)據(jù)繼續(xù)考察月球不同磁場強度區(qū)域內(nèi)的光譜特性。

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A Study of Reflectance Characteristics in Regionsof Several Lunar Magnetic Anomalies

Wang Xiaoqian1, Cui Jun1,2, Li Han1, Fu Xiaohui1, Liu Bin1, Li Chunlai1

(1. Key Laboratory of Lunar and Deep-Space Exploration, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012, China, Email: wangxq@bao.ac.cn; 2 Nanjing Univesity, Nanjing 210093, China)

The Moon does not have a global magnetic-field pattern. However, at anitpodes of some large lunar craters there are magnetic fields of high strengths. The lunar magnetic anomalies are also regions of unusual lunar albedo features, which has been hypothesized to be due to the local weakening of space weathering by mini-magnetospheres induced by magnetic anomalies. The Interference Imaging Spectrometer (IIM) onboard the Chang’E-1 lunar exploration spacecraft obtained optical spectra of various parts of the lunar surface in 32 bandpasses covering visible to near-infrared wavelengths. The IIM data allow us to study effects of lunar space weathering through local reflectance curves of the lunar surface. By comparing average reflectance curves within regions of four selected magnetic anomalies to those in their close vicinities (outside the magnetic anomalies), we have found that the reflectance values within the regions of magnetic anomalies are consistently larger than in the vicinities. Considering that mini-magnetospheres shield the regions within the anomalies against space winds, our result supports the hypothesis that lunar mini-magnetospheres reduce influences of space weathering. Our study could provide new insights into effects of space weathering on the lunar surface.

Space weathering; Lunar magnetic anomalies; Lunar local magnetic centers; Mini-magnetosphere

國家自然科學基金 (41304021) 資助.

2014-03-21；修定日期：2014-04-01 作者簡介：王曉倩，女，碩士. 研究方向：行星科學. Email: wangxq@bao.ac.cn

P184.5+3

A

1672-7673(2015)02-0219-09