Луна как объект астрофотометрии

Абсолютная радиометрическая калибровка рассматривается в данной работе как один из эффективных методов для повышения требуемого потребителями качества съёмочных данных, получаемых при эксплуатации аппаратуры оптико-электронных систем ДЗЗ. Она связывает цифровые данные сигнала на снимке [уровни аналогово-цифрового преобразователя (АЦП)] с физическими величинами, такими как энергетическая яркость подстилающей поверхности в заданном диапазоне длин волн [Вт/(м2*ср)] и, для гиперспектральной аппаратуры, спектральная плотность энергетической яркости (СПЭЯ) [Вт/(м2*мкм*ср)].

В настоящем докладе акцентируем внимание на методе калибровки по стабильному источнику. Естественными стабильными источниками являются Солнце, земная поверхность и Луна. Среди выше перечисленных источников наибольший интерес представляет Луна. В отличие от методов с использованием наземных полигонов калибровка по Луне не имеет погрешностей, связанных с влиянием атмосферы и метеорологических явлений. В свою очередь, калибровка по Солнцу невероятно требовательна к высокоточной системе ослабления светового потока.

Использование Луны в качестве средства калибровки требует точного количественного знания её спектральной энергетической яркости для конкретных условий наблюдения. При этом существуют специфические условия отражения излучения от поверхности Луны (излучение отражается в направлении обратном направлению падения света с некоторой диаграммой рассеивания и наличие оппозиционного эффекта). Это приводит к необходимости учитывать при калибровке Луны геометрию системы «Солнце-Луна-Наблюдатель», прежде всего угла фазы, а также расстояния между элементами этой системы. Обратим внимание на лунное излучение, которое состоит из двух основных составляющих отраженное и собственное излучение.

Отражённое излучение в основном является солнечной радиацией, рассеянной лунной поверхностью. Данное излучение преимущественно относится к видимой области. Освещённость в точке наблюдателя, создаваемая Луной, пропорциональна площади видимого диска и солнечной освещённости на расстоянии Луна-Солнце и обратно пропорциональна квадратам расстояния от Солнца до наблюдателя.

Помимо этого, освещённость зависит от отражательной способности поверхности и от фазы Луны. Общая отражательная способность невелика (~10%) и это приводит к переходу поглощённой солнечной радиации в тепло. Именно поэтому Луна имеет собственное тепловое излучение. Собственное излучение представимо в виде формулы Планка для поверхности с температурой 400К.

В случае детальной фотометрии‚ когда изучается определённый участок луной поверхности отражательная способность зависит от нормального альбедо. Интенсивности отражённого излучения (яркость площадки) изменяется по закону, определяемому фотометрической функцией. Параметры, входящие в фотометрическую функцию это угол падения, угол отражения и фазовый угол. Изучение фотометрической функции даёт возможности исследовать участки лунной поверхности относительно их физических свойств. Для сравнительного изучения фотометрических характеристик различных районов Луны в идеальном случае мы должны наблюдать их в одинаковых фотометрических условиях, которые определяются углом падения, углом отражения и углом фазы. Участки поверхности Луны, можно разделить на четыре типа, определяющие пространственные распределения отражённой поверхностью радиации:

Ортотропные поверхности, отражающие падающий на них поток диффузно, или равномерно, во всех направлениях.

Зеркальные поверхности, отражающие падающий на них поток преимущественно в плоскости падающего луча и под углом, равным углу падения. Необходимо иметь в виду, что по способу отражения падающей радиации эти поверхности отличаются от идеально отражающих.

Антизеркальные поверхности, отражающие максимально в направлении к источнику излучения.

Комбинированные поверхности, обладающие двумя максимумами отражения — зеркальным и антизеркальным.

Способность поверхностей отражать упавшую на них радиацию характеризует индикатриса отражения. Определение к какому типу поверхностей относятся те или иные участки лунной поверхности имеют высокую практическую ценность в понимании строения Луны как объекта астрофотометрии. Для точного определения вида индикатрисы необходимо проделать серию наблюдений с КА.

Во-первых, провести наблюдения при значения фазового угла близких к нулю и оценить значения яркости по всему видимому диску Луны. Данная серия наблюдений позволит убедиться, что при нулевом фазовом угле яркость всех участков Луны максимальна. Помимо этого, это позволит определить участки с одинаковым альбедо поверхности.

Во-вторых, при изменении фазового угла в районе полнолуния необходимо получить зависимости яркости полигонов Луны от фазового угла. Полигоны Луны должны быть однородны, а также их размеры соответствуют не более 0,7 селенографического градуса по долготе и широте. Результатом данного наблюдения ожидаемо будет свойство лунного закона отражения, называемое обратным рассеянием, то есть нелинейный рост яркости вблизи полнолуния.

В-третьих, наблюдения при одинаковых условиях позиционирования «КА-Луна-Солнце». Это позволит классифицировать лунные участки по типам, представленным выше, а также определить от каких угловых параметров отражения и падения солнечного света зависит фотометрическая функция больше, а от каких меньше. Эти предварительные вычисления лежат в основе исследования лунной поверхности для радиометрической калибровки ОЭП.

Помимо этого, требования к радиометрической калибровке, должны учитывать основные фотометрические свойства лунной поверхности, которые ожидаются в ходе исследований, а именно:

Для образований с одинаковым альбедо яркость в полнолуние одинакова в любой точке диска;

Все области без исключения имеют максимальную яркость в полнолуние;

Если исключить различие в альбедо, изофоты для любой фазы приблизительно следуют по меридианам (таким образом, фотометрическая функция почти не зависит от фотометрической широты);

Все образования с одинаковой долготой характеризуются сходными значениями фотометрической функции, хотя различия, связанные с местными условиями, все же существуют;

Яркость всех областей до (или после) полнолуния увеличивается (или уменьшается) быстрее, чем по линейному закону, такое поведение кривых характеризует свойство лунного закона отражения, называемое обратным рассеянием;

Скорость увеличения яркости особенно велика при малых фазовых углах, этот факт известен как оппозиционный эффект.

На основании рассмотренного выше метода наблюдений можно сделать следующее заключение. Для проведения радиометрической калибровки необходимо создание каталога участков, включающего в себя следующую информацию:

- карты нормального альбедо для каждого калибруемого спектрального канала для рассматриваемых полигонов на лунной поверхности, выбранных для проведения калибровки;

- значения фотометрической функции для рассматриваемых участков на лунной поверхности, выбранных для проведения калибровки.