Statistical methods for compositional and photometric analysis of the lunar surface

Abstract

This thesis presents statistical methods and analysis regarding the surface properties and processes of the lunar surface using reflectance spectroscopy. The first process of interest is the diurnal variations of OH/H2O on the Moon. Closely linked to this are lunar swirls, which are the second major science topic in this work. Thirdly, we investigate the mineral composition and space weathering to understand the first two processes. The solar wind contains hydrogen that forms hydroxyl and is the main driver for space weathering on the lunar surface. The hydrogen content varies more strongly with the time of day for TiO2-rich surfaces and less for plagioclase-rich areas. The OH/H2O variations at swirls is generally weaker due to magnetic shielding. However, the compaction significance spectral index (CSSI) shows that not for all swirl locations, the brightness difference comes predominantly from maturity differences, but compaction plays a significant role in the appearance of lunar swirls. Another dimension of lunar swirls that is explored in this work is the photometric behavior, which can be seen as a proxy for the physical properties of the surface. This analysis further accentuates that compaction is a factor that contributes to the increased brightness of swirls. Furthermore, this thesis introduces an unmixing framework that considers the effects of space weathering by using the nanophase and microphase particles as endmembers. Space weathering, mineral darkening agents like ilmenite, and grain size produce similar spectral effects. Thus, we propose a Bayesian approach, which characterizes the uncertainties and interdependencies. Finally, maps of the major minerals and space weathering agents for the Moon are presented.

In dieser Arbeit werden statistische Methoden und Analysen zu den Oberflächeneigenschaften und -prozessen des Mondes mit Hilfe der Reflexionsspektroskopie vorgestellt. Der erste Prozess, der von Interesse ist, sind die tageszeitabhängigen Schwankungen von OH/H2O auf dem Mond. Eng damit verbunden sind "Lunar Swirls", die das zweite große wissenschaftliche Thema dieser Arbeit darstellen. Drittens müssen die Mineralzusammensetzung und die Weltraumverwitterung untersucht werden, um die ersten beiden Prozesse zu verstehen. Der Sonnenwind enthält Wasserstoff, der Hydroxyl bildet und der Hauptfaktor für die Weltraumverwitterung auf der Mondoberfläche ist. Der Wasserstoffgehalt variiert stärker mit der Tageszeit für TiO2-reiche Oberflächen und weniger für plagioklasreiche Gebiete. Die OH/H2O-Variationen an Swirls sind aufgrund der magnetischen Abschirmung im Allgemeinen schwächer. Der Compaction Significant Spectral Index (CSSI) zeigt jedoch, dass der Helligkeitsunterschied nicht an allen Swirl-Standorten überwiegend auf unterschiedliche Grade der Verwitterung zurückzuführen ist, sondern dass die Verdichtung eine wichtige Rolle für das Erscheinungsbild der lunaren Swirls spielt. Eine weitere Dimension von Lunar Swirls, die in dieser Arbeit erforscht wird, ist das photometrische Verhalten, das als Stellvertreter für die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche angesehen werden kann. Diese Analyse unterstreicht, dass Verdichtung ein Faktor ist, der zur erhöhten Helligkeit von Swirls beiträgt. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein Unmixing-Framework vorgestellt, das die Auswirkungen der Weltraumverwitterung berücksichtigt, indem die Nanophasen- und Mikrophasenpartikel als Endmember eingeführt werden. Weltraumverwitterung, Minerale wie Ilmenite, die das Spektrum verdunkeln, und die Korngröße erzeugen ähnliche spektrale Effekte. Daher wird ein Bayes Ansatz vorgeschlagen, der die Unsicherheiten und gegenseitigen Abhängigkeiten der Parameter charakterisieren kann. Schließlich werden Karten der wichtigsten Mineralien und Weltraumverwitterungsstoffe für den Mond vorgestellt.