Multiwavelength studies of regolith effects in planetary remote sensing

A large proportion of our knowledge about the surfaces of atmosphereless solar-system bodies is obtained through remote-sensing measurements. The measurements can be carried out either as ground-based telescopic observations or space-based observations from orbiting spacecraft. In both cases, the measurement geometry normally varies during the observations due to the orbital motion of the target body, the spacecraft, etc.. As a result, the data are acquired over a variety of viewing and illumination angles. Surfaces of planetary bodies are usually covered with a layer of loose, broken-up rock material called the regolith whose physical properties affect the directional dependence of remote-sensed measurements. It is of utmost importance for correct interpretation of the remote-sensed data to understand the processes behind this alteration. In the thesis, the multi-angular effects that the physical properties of the regolith have on remote-sensing measurements are studied in two regimes of electromagnetic radiation, visible to near infrared and soft X-rays. These effects are here termed generally the regolith effects in remote sensing. Although the physical mechanisms that are important in these regions are largely different, notable similarities arise in the methodology that is used in the study of the regolith effects, including the characterization of the regolith both in experimental studies and in numerical simulations. Several novel experimental setups have been constructed for the thesis. Alongside the experimental work, theoretical modelling has been carried out, and results from both approaches are presented. Modelling of the directional behaviour of light scattered from a regolith is utilized to obtain shape and spin-state information of several asteroids from telescopic observations and to assess the surface roughness and single-scattering properties of lunar maria from spacecraft observations. One of the main conclusions is that the azimuthal direction is an important factor in detailed studies of planetary surfaces. In addition, even a single parameter, such as porosity, can alter the light scattering properties of a regolith significantly. Surface roughness of the regolith is found to alter the elemental fluorescence line ratios of a surface obtained through planetary soft X-ray spectrometry. The results presented in the thesis are among the first to report this phenomenon. Regolith effects need to be taken into account in the analysis of remote-sensed data, providing opportunities for retrieving physical parameters of the surface through inverse methods.

Helsingin yliopiston tähtitieteen laitokselta 6.3.2009 väittelevä Jyri Näränen on tutkinut väitöstyössään Aurinkokunnan ilmakehättömien kappaleiden valonheijastusominaisuuksia. Hän on myös kartoittanut laajalti Kuun pinnan fysikaalisia ominaisuuksia sekä saanut uraauurtavia tuloksia planeettojen pintojen ns. röntgenfluoresenssista. Aurinkokunnan kappaleista heijastuneen valon määrä riippuu siitä, missä kulmassa niitä havaitaan suhteessa Aurinkoon. Valtaosa Aurinkokunnan kappaleiden tutkimuksesta tehdään Maasta tai luotaimista käsin. Tällöin sekä havainto- että valaistuskulmat muuttuvat usein havaintojen aikana paljonkin, ja heijastuskulman vaikutukset havaintoihin on tunnettava, jotta tulokset voidaan tulkita oikein. Kiviplaneettoja ja Aurinkokunnan pienkappaleita peittää tavallisesti kerros väljästi pakkautunutta kivimurskaa ja pölyä, jota kutsutaan regoliitiksi. Mm. regoliitin huokoisuudesta ja regoliittihiukkasten muotojen ja kokojen jakaumasta riippuu, miten valo heijastuu siitä takaisin. Jos Aurinko valaisee kappaleen suoraan Maan takaa, kappale on täysin valaistu ja puhutaan nollaheijastuskulmasta. Tällöin kappale on myös kirkkaimmillaan. Kun valonlähteen ja havaitsijan välinen kulma kasvaa, kappale näyttää himmenevän. Himmenemisen määrä riippuu yllämainituista regoliitin ominaisuuksista. Regoliitin heijastuskulmaefektiä voidaan käyttää hyväksi kun halutaan selvittää heijastavan pinnan ominaisuuksia. Tässä nk. inversiomenetelmässä muodostetaan tietokonemalli heijastavasta pinnasta. Mallin fysikaalisia ominaisuuksia muutetaan, kunnes sillä voidaan hyvin mallintaa havaittu heijastuskulmaefekti. Näränen on ollut mukana tutkimassa Kuun tummien merialueiden regoliitin ominaisuuksia ESA:n SMART-1 kuuluotaimen vuosina 2004-2006 keräämän havaintoaineiston perusteella. Tulokset vastasivat melko hyvin Apollo -lennoilta saatuja tuloksia, mutta kattoivat huomattavasti suuremman osan Kuun pintaa kuin mitä miehitetyillä lennoilla pystyttiin tutkimaan. Tutkimuksessa käytetty havaintoaineisto on lajissaan yksi laajimmista maailmassa. Näränen on myös kehittänyt ja käyttänyt tutkimuksessaan uudenlaisia koejärjestelyitä, joilla on tutkittu regoliitin pintakarkeuden vaikutusta mitattuun röntgensäteilyyn mittauskulman muuttuessa. Karkean pinnan huomattiin muuttavan havaittua röntgensäteilyä energisemmäksi kuin sileän pinnan. Tulos on merkittävä, sillä regoliitista lähtevän röntgensäteilyn energiaa mitataan usein, kun tutkitaan sisemmän Aurinkokunnan kappaleiden pinnan alkuainekoostumusta. Koostumuksen avulla pystytään ymmärtämään paremmin pinnan kemiaa ja mineraaleja. Tulokset ovat hyödyksi ensi vuosikymmenellä, kun NASA:n MESSENGER ja ESA:n BepiColombo -luotaimet saapuvat tutkimaan Merkuriusta.