小行星空间风化的实验模拟及光学表征研究

The surface mineralogy and optical properties of airless bodies such as asteroids have been constantly altered by space weathering processes which mainly consist of constant solar wind and micrometeorite bombardment. It is very important to understand the fundamental relationship between the structral and compositional changes of the surface mineralogy and particles optical properties in remote sensing of asteroids. This proposed project will use both infrared and UV pulsed laser to irradiate olivine and pyroxene grains with varying size distributions and varying packing densities and structures. By measuring particle structures before and after irradiations, the corresponding multi-angle reflectance, visble, near- and mid-infrared reflectance spectra and degree of polarizations will also be measured to understand the optical effects of space weathering. We will also carry out light scattering computations to understand the relationship between particle structures and optical porperties. Finally, we will use openly available asteroid mission data to infer mineral compositions of several typical space-weathered asteroids by applying knowledges learned from our laboratory experiments. The results of this research will also be applied to sensor development concept of next generation Earth-based telescopes and mission sensors to study surface features of asteroids.

缺乏大气保护的小行星表面在长期受太阳风和微陨石撞击等空间风化作用下，其表面的岩石矿物微观结构会发生改变，从而使得其表面材料的可见光和近红外光谱特性弱化。深入理解在风化作用前后小行星表面岩石矿物的结构和成分变化与颗粒光学性质变化之间的内在联系，对于遥感探测小行星具有重要意义。本项目计划使用红外和紫外脉冲激光对不同尺寸分布和堆积方式的橄榄石和辉石等小行星表面模拟物进行不同程度的打击改性，通过测量改性前后的颗粒结构特征变化以及其堆积层的多角度反射、可见-近红外-中红外光谱和偏振度等参量的变化，定量理解空间风化对光学遥感探测小行星所产生的影响，并对照光散射模型定量理解结构与光学性质的联系。应用研究结果对系川小行星等具有典型风化特征天体的探测光谱影像数据进行解译，推测其表面颗粒特征。本研究将为发展下一代地基或深空探测传感器技术研究小行星表面特征提供可靠的实验依据。

无大气天体表面在太阳风和微陨石撞击等空间风化作用下，表面矿物的晶格结构会被破坏，硅酸盐矿物颗粒表面会出现纳米尺度的单质铁，这些结构和成分变化会导致可见光和近红外光谱特性弱化，从而影响我们利用光谱获知天体表面材料的准确性。本项目通过利用1064纳米脉冲激光器对不同尺寸分布的橄榄石、辉石、斜长石、钛铁矿和模拟月壤等相似物颗粒进行不同程度的照射，并对照射前后的样品进行扫描电镜、透射电镜、可见-近红外-中红外反射光谱、拉曼光谱、多角度反射和偏振相位曲线等测量，得到以下主要结果：（1）在这些样品中，橄榄石最容易被模拟空间风化改变而辉石和斜长石等则受改变作用较小；（2）受到最强烈脉冲激光照射（单脉冲50毫焦照射5次）的矿物颗粒，虽然其表层出现纳米铁和非晶层导致其可见-近红外光谱特征几乎全部消失，但其内部的晶格结构能够得以存在，使得其中红外光谱和拉曼光谱特征能够很好保留下来；（3）受到模拟空间风化作用的矿物颗粒表面变得更加粗糙和疏松，多数样品的多角度反射变得同时具有更强的前向和后向散射特征，与辐射传输模型的预测一致；光度模型反演结果表明，单个颗粒在模拟风化作用后变得更加后向散射，与近期的遥感测量结果不一致；（4）受到模拟空间风化的样品的偏振相位曲线没有表现出有明显的依赖于打击强度的变化规律，原因待进一步研究。这些结果表明，小天体在中红外波段的热发射光谱或者拉曼光谱可以避免因空间风化造成的对可见-近红外光谱的干扰，从而能更有效地识别矿物特征。