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月球表面存在着大量大大小小的撞击坑,太阳在月表的照射方向几乎垂直于月球的自转轴。受这两个因素的影响,月球极区一些撞击坑底部无法接收到太阳光的直接照射,形成永久阴影区,其物理温度非常低(<100 K)。进入永久阴影区的水冰等挥发份无法逃逸到月表以外的空间,可长期稳定存在,因此永久阴影区也称为 冷阱” (1)。在漫长的月球演化历史中,由彗星或含水小天体撞击月球所携带的水,会以水冰的形式在“冷阱”中长期保存下来。水可以分解为氧气和氢气,前者可以为宇航员提供生命保障,后者可以为月球基地提供动力。因此,月球两极冷阱内潜在水冰被认为是整个太阳系最宝贵的资源。此外,月球两极水冰的赋存形式与含量,对理解月球演化历史、太阳风与月表作用、内太阳系物质迁移等有着非常重要的科学意义。

1. 月球两极永久阴影区分布:(左)北极 (右)南极


2009年以来,多个空间探测计划所携带的紫外、近红外成像光谱仪都独立发现月表由太阳风作用产生的水或羟基,对月球样品(Apollo样品、嫦娥”5号样品)的实验室测量也发现早期火山脱气作用所产生的水。但是,这些水的含量非常低,只有万分之几,不足以作为支撑月球基地建设的主要资源。因此,对月球极区潜在水冰的探测,仍然具有重要的资源利用价值。雷达可发射电磁波,能对永久阴影区进行成像观测,是探测水冰的一种有效手段。1994年美国Clementine计划对月球南极Shackleton撞击坑进行了双站雷达试验,发现雷达回波存在异常。但对雷达回波异常是否由大量水冰所引起一直存在着争议,是月球科学领域一个持续二十多年的难题。

为解决上述争议,印度 2008 年发射的月船”1 号、 美国 2009 年发射的月球侦察轨道器(LRO)上分别搭载了微型合成孔径雷达(Mini-RF),用于探测月球极区是否存在大量水冰。Mini-RF科学团队发现月球极区存在一类异常撞击坑,其边缘以内圆极化比(CPR)远高于边缘以外,这与普通撞击坑的回波分布不一致,这类撞击坑被称为雷达异常撞击坑(图2)。绝大部分雷达异常撞击坑都位于永久阴影区,其数量随着纬度增加而变多。这些被Mini-RF科学团队解释为月球极区存在大量水冰的证据,初步估算月球北极存在约6亿吨水冰。由于雷达波与月表相互作用非常复杂,引起雷达回波异常的因素有很多,Mini-RF团队并没有从机理上解释雷达回波异常的原因。

2. (左)月球北极雷达异常撞击坑分布,(右)异常撞击坑CPR分布(Spudis et al., 2010


地空学院法文哲研究团队主要从事行星遥感研究,在过去十多年中,针对雷达对月球极区水冰探测问题进行了系统性研究,终于解开了神秘的月球雷达回波异常之谜。由于雷达波与月表作用机理非常复杂,要厘定引起月球极区雷达回波异常的关键因素,需要建立基于物理机理的月表雷达散射模型,系统性研究月表特征参数分布,逐一量化每个参数对回波异常的贡献。为此,该团队在月球雷达散射建模、月表参数定量研究、雷达回波异常解译方面进行了深入耕耘。

基于复杂介质电磁散射的矢量辐射传输理论,该团队建立了一个月壤层全极化雷达散射模型,可定量给出雷达回波强度与极化比随月表特征参数之间的变化关系(Fa et al., JGR-Planets, 2011)。该团队进一步分析了Apollo月壤样品介电常数测量结果,发现月壤介电损耗仅与钛铁矿含量有关,基于该关系与月表化学成分,首次绘制了全月表介电常数分布图(Fa and Wieczorek, Icarus, 2012)。这些为定量研究雷达回波异常,厘定回波异常关键因素奠定了基础。由雷达散射模型分析了月表坡度、粗糙度、石块丰度、介电常数等特征参数对CPR的影响,发现雷达CPR与石块丰度之间存在着明显的相关性。模型与观测比较结果表明,雷达异常撞击坑内部CPR过高是由月表与月壤层内石块二次散射所引起的,并非Mini-RF团队所宣称的大量水冰(Fa and Cai, JGR-Planets, 2013;图3)。

3. (a) 月表雷达散射模型, (b) CPR随石块丰度的变化 (Fa and Cai, 2013)


在后续研究中,该团队由超级计算机处理了所有Mini-RF原始数据,首次得到了全月表 Mini-RF雷达影像图。系统分析了月表所有直径大于2.5 km的撞击坑,结果表明月球极区与非极区雷达异常坑CPR统计特征不存在明显差异,极区雷达异常坑的数量并没有偏多(Fa and EkeJGR-Planets 2018)。与红外遥感数据的对比发现,雷达异常坑是撞击坑演化的一个中间阶段:在撞击坑形成初期坑内外坡度差异大,受滑坡等地质作用影响,撞击坑内外石块会非均匀退化,使得撞击坑内石块多、坑外石块少,从而产生了雷达异常撞击坑。这样从撞击坑形成与演化的机理角度,圆满地解释了雷达异常撞击坑的地质成因,也因此否定了Mini-RF团队关于月球极区存在大量水冰的结论。随后美国探月卫星LRO 窄角相机对永久阴影坑进行了长曝光成像观测,发现这些撞击坑表面确实存在大量石块(图4, 证实了法文哲研究团队的结论。

4. LRO窄角相机对永久阴影区长曝光观测结果(Koeber et al., 2014


虽然没有发现大量水冰,但对雷达异常撞击坑的研究衍生出了许多新的科学问题,譬如月表撞击坑退化的速率,月壤是如何形成与演化的。为此,该团队近期致力于月表形貌演化研究,建立了月表地形时空演化三维模型,数值模拟了月表地形与月壤的形成与演化过程(Yang et al., GRL, 2021)。由不同分辨率高程数据,首次计算了毫米至米级尺度月表粗糙度,发现粗糙度无法引起雷达回波异常(Cai and Fa, JGR-Planets, 2020; Guo et al., GRL, 2022),进一步证实了之前的研究结果。

在我国后续嫦娥”7号探月计划中,将搭载高分辨率成像雷达,对月球表面(特别是两极)进行高分辨率测绘成像。法文哲团队研发的月表雷达散射模型与数据分析方法等,都可以应用到嫦娥”7号月球雷达探测中。

本团队相关论文

1. Wenzhe Fa, Mark A. Wieczorek, Essam Heggy. (2011). Modeling polarimetric radar scattering from the lunar surface: Study on the effect of physical properties of the regolith layer. Journal of Geophysical Research: Planets, 116(E3), E03005.

2. Wenzhe Fa, Mark A. Wieczorek. (2012). Regolith thickness over the lunar nearside: Results from Earth-based 70-cm Arecibo radar observations. Icarus, 218(2), 771–787.

3. Wenzhe Fa, Yuzhen Cai. (2013). Circular polarization ratio characteristics of impact craters from Mini-RF observations and implications for ice detection at the polar regions of the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 118(8), 1582–1608.

4. Wenzhe Fa, Vincent R. Eke. (2018). Unravelling the mystery of lunar anomalous craters using radar and infrared observations. Journal of Geophysical Research: Planets, 123(8), 2119–2137.

5. Yuzhen Cai, Wenzhe Fa. (2020). Meter-scale topographic roughness of the Moon: The effect of small impact craters. Journal of Geophysical Research: Planets, 125(8), 2020JE006429.

6. Dijun Guo, Wenzhe Fa, Bo Wu, Yuan Li, Yang Liu. (2021). Millimeter- to decimeter-scale surface roughness of the Moon at the Chang’E-4 exploration region. Geophysical Research Letters, 48(19), e2021GL094931.

7. Xi Yang, Wenzhe Fa, Jun Du, Minggang Xie, Tiantian Liu. (2021). Effect of topographic degradation on small lunar craters: Implications for regolith thickness estimation. Geophysical Research Letters, 48(22), e2021GL095537.


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