月球水冰賦存形態(tài)分析及原位探測展望

杜 宇，盛麗艷，張 熇，馬繼楠，張 弘，李 飛，吳 克

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094）

0 引言

月球上是否有水是當前月球探測的主要熱點問題之一。美國的Watson[1]在1961年最早提出在月球的永久陰影區(qū)存在水冰的假設(shè)。1992年，Stacy[2]根據(jù)Arecibo天文臺地基合成孔徑雷達對月球極區(qū)表面的探測結(jié)果得出月球極區(qū)至少不存在大面積水冰的結(jié)論。而從20世紀90年代起，“克萊門汀號”（Clementine，美國，1994年）、“月球勘探者號”（Lunar Prospector，LP，美國，1998年）、“月船一號”（Chandrayaan-1，印度，2008年）、月球勘測軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO，美國，2009年）和月球隕坑觀測與遙感衛(wèi)星（Lunar CRater Observation and Sensing Satellite，LCROSS，美國，2009年）分別通過雷達、中子探測儀、光譜儀等探測儀器探測到月球極區(qū)可能有水[3]，這再次引發(fā)了全世界對月球極區(qū)水冰研究的熱潮。

本文回顧了月球水冰探測的歷程，對比基于雷達、中子探測儀和光譜儀的探測結(jié)果，分析水冰可能的賦存形態(tài)，并提出對未來月球水冰探測任務展望。

1 月球水冰探測結(jié)果分析

目前對月球水冰的探測都是采用遙感的方式，探測載荷包括雷達、中子探測儀和光譜儀等，下面對這3種載荷的探測結(jié)果進行對比分析。

1.1 雷達探測結(jié)果

雷達通過圓極化比（Circular Polarization Ratio，CPR）來表征月球表面的物理性質(zhì)。冰凍揮發(fā)物（如水冰）具有全內(nèi)反射性質(zhì)，使反射信號中的電磁波保持原來的極化方式，而且冰凍揮發(fā)物比硅酸鹽類巖石的傳輸損耗更低，相應的電磁波平均反射率更高，回波能量就高，即水冰比月表巖石能反射更多的電磁波，因此對于水冰，CPR＞1。而月表硅酸鹽類巖石則向所有方向散射電磁波，部分能量不能被接收天線接收，故粗糙月面的CPR 一般介于0.5和1之間[4]。因此，可以利用月球探測衛(wèi)星上的雷達對月球極區(qū)的水冰進行探測。

1994年4月，當Clementine運行到月球南極上空時，同向極化增加，雷達測得右旋圓極化與左旋圓極化之比（RCP/LCP）明顯增大，出現(xiàn)特殊散射效應，即雷達回波不呈現(xiàn)月表巖石碎屑所應具有的特征，而呈現(xiàn)出揮發(fā)性冰的特征。由此，月球南極可能存在水冰第一次獲得直接的探測證據(jù)[5]。

Chandrayaan-1探測器也搭載了Mini-SAR，在月球北極發(fā)現(xiàn)了40多個大小不等的撞擊坑具有異常的回波特征[6-7]。其中，約30個撞擊坑只有坑內(nèi)出現(xiàn)回波異常，這些撞擊坑位于高緯度地區(qū)，且坑底至少有部分區(qū)域?qū)儆谟谰藐幱皡^(qū)，因此推測坑內(nèi)可能存在水冰；另有11個撞擊坑的坑內(nèi)和外圍都出現(xiàn)回波異常，且多為具有輻射紋、形成年齡較年輕的撞擊坑，推測其雷達回波異常是由于表面粗糙度引起的[8]。

LRO上搭載了與Chandrayaan-1同樣設(shè)計的雷達裝置（Mini-RF），針對沙克爾頓（Shackleton）撞擊坑的Mini-RF測量結(jié)果顯示坑壁上有斑駁的CPR 異常，而且隨著接近坑底其強度減弱。這個結(jié)果更接近于由于撞擊坑壁上粗糙不平的石塊分布導致的CPR 異常。通過對比LRO的CPR測量結(jié)果與不同混合比的含水冰月壤的模擬結(jié)果（見圖1）發(fā)現(xiàn)，這種情況也不能排除是在月壤內(nèi)最靠近表層的幾米內(nèi)覆蓋有5wt%～10wt%的水冰導致的[9]。

圖1 Mini-RF經(jīng)過Shackleton 隕石坑獲得的圓極化率分布（左上）與不同含冰量的半經(jīng)驗模型值[9]Fig.1 Distribution of CPR for Shackleton crater based on Mini-RF data (top left) and values obtained with a semiempirical model from samples with different ice content

1.2 中子探測儀探測結(jié)果

對于月球表面氫含量高的區(qū)域，中子在經(jīng)過該區(qū)域時從月表逃逸進入外太空之前速度會明顯變慢，能量銳減，成為熱中子（能量＜0.3 eV）。中子探測儀就是通過不同類型中子計數(shù)率的相對高低來反映某個區(qū)域氫元素的含量。結(jié)合對氫元素的存在形式的分析和判斷，推斷該區(qū)域是否存在水冰[10]。

1998年發(fā)射的LP探測器上搭載了中子探測儀（Neutron Spectrometer, NS），對月球上氫的豐度進行了測量，判斷月球存在水冰，并推測月球水冰是以0.1%～0.3%混合比的細小晶體形式存在，而且分布的面積非常大[11]。LP測到了月球南極幾個撞擊坑的H含量，空間分辨率45 km。由于通過中子探測儀測到的H 含量與探測器的立體角和積分時間等有關(guān)，所以分辨率在幾十km 量級，而LP的中子探測儀的能檔測到的是表層1 m 范圍的H。因此根據(jù)LP的結(jié)果，可能的結(jié)論如下：

1）月球兩極部分區(qū)域月壤中1 m 深度范圍內(nèi)可能有水；

2）含水區(qū)的水平均含量（質(zhì)量分數(shù)）約為100 ppm左右，由于空間分辨率在45 km，如果水冰不是大面積分布的，則局部水含量可能高于這個數(shù)據(jù)。

LRO上也搭載了俄羅斯研制的低能中子探測儀（Lunar Exploration Neutron Detector,LEND），其空間分辨率達到10 km，通過記錄中子計數(shù)探測氫的含量來證明水的存在。通過對LEND的探測結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)南極Cabeus、Shoemaker、Haworth和Faustini撞擊坑有明顯的超熱中子通量降低現(xiàn)象[12-13]。研究人員又對比月球極區(qū)永久陰影區(qū)、中子探測儀和微波雷達的探測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)部分回波異常的撞擊坑同時屬于永久陰影區(qū)且用中子探測儀探測出高H含量，因此認為這些區(qū)域可能有水冰（見圖2[14]）。俄羅斯的Djachkova[15]更傾向于認為Cabeus和Shoemaker 有水。同時還指出，不僅僅是永久陰影區(qū)，在光照區(qū)也有水，所以探測器沒有必要著陸在永久陰影坑底。

圖2 月球極區(qū)永久陰影區(qū)、高H 含量區(qū)及CPR 異常區(qū)[14]Fig.2 Permanent shadow area in the lunar polar region,areas with high H content,and CPR abnormal area

1.3 光譜儀探測結(jié)果

光學遙感是建立在波譜特征分析之上的。結(jié)合先驗知識，對目標位置的特征譜段的光譜強度進行反演，則還可以得到大氣某成分的密度等信息。同理，也可利用光學遙感對行星表面和行星大氣進行探測。

2009年10月9日，LCROSS（包含“牧羊”航天器及“半人馬座”火箭）的“半人馬座”火箭撞擊月球南極的Cabeus坑，“牧羊”航天器上搭載的科學儀器對撞擊濺射物進行了觀測。次年3月，NASA 宣布LCROSS的撞擊任務成功地證實了月球上確實有水。科學家們將月壤與水或其他含氫化合物的混合物的近紅外光譜曲線，同LCROSS近紅外光譜儀測得的濺射物光譜（見圖3[16]）進行了對比，發(fā)現(xiàn)只有月壤與水的混合物的光譜與LCROSS獲得的光譜近似，而月壤與其他任何含氫化合物的混合物光混合都無法與LCROSS觀測結(jié)果相配；并估算出水的含量在(5.6±2.9)%之間[16]。

Shuai Li 基于Chandrayaan-1上搭載的M3的數(shù)據(jù)（分辨率140～280 m），提取出1.3μm、1.5μm和2μm 的水分子組合模式振動數(shù)據(jù)（水分子的振動頻率則在3μm 量級，超出了M3可提供的0.46～2.98μm 的設(shè)備測量范圍），并將得到的可能含水的區(qū)域與低溫、激光反射系數(shù)等數(shù)據(jù)進行對比，認為月球表面有水，并給出了分布范圍，如圖4所示[17]。

JPL 的研究人員根據(jù)LRO上LAMP（拉曼阿爾法譜儀）測到的不同譜段的月表反射率[18]，分析了表層含水的可能性。其測量原理是：純冰在129.57～155.57 nm（on-band）范圍的反射率接近0；在155～189 nm（off-band）范圍的反射率接近常數(shù)；因此當這兩個頻段的反射率比值（Roff-band/Ron-band）很高時，則表明可能有水。根據(jù)探測結(jié)果，若假定250 m（分辨率）范圍內(nèi)全部含水，則水的含量在0.1 wt%～2.0 wt%；如果是零散分布的純水冰，則在該區(qū)域內(nèi)10%的面積上有水。

1.4 對探測結(jié)果的質(zhì)疑

經(jīng)過20多年的探測和研究，目前普遍認為月球極區(qū)可能有水，但是也有一些研究結(jié)果對此提出質(zhì)疑。

圖3 LCROSS撞擊濺射物的光譜探測結(jié)果[16]Fig.3 Spectral detection resultsof impact sputter by LCROSS

圖4 參考文獻[17]給出的月球極區(qū)水冰分布Fig.4 Distribution of water ice in the lunar polar region from reference [17]

早期科學家就曾針對Clementine的雷達探測結(jié)果表示質(zhì)疑，認為Arecibo天文臺地基雷達在非極區(qū)區(qū)域也探測到了CPR 異常，認為CPR 異常主要由地形粗糙度引起，而不是由水冰引起。理論分析表明，月面的粗糙度確實可以引起類似水冰的CPR 異常（高地和部分較年輕的撞擊坑周圍也會出現(xiàn)CPR 增大）。北京大學的法文哲等[19]針對LRO的CPR 數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地形的坡度和石塊的多少與CPR 的關(guān)系很大；對極區(qū)CPR 異常、非極區(qū)CPR 異常、極區(qū)新撞擊坑、非極區(qū)新撞擊坑進行比較發(fā)現(xiàn)，是否處于極區(qū)不是CPR 異常的關(guān)鍵因素，該作者傾向于認為CPR 異常是由撞擊坑內(nèi)部和周圍的石塊多少導致的，而不是由于有水冰。Eke 等[20]對LRO的CPR 數(shù)據(jù)的分析結(jié)果是，撞擊坑的CPR 異常情況與雷達的入射角度有關(guān)系，猜測如入射點在坑壁，則CPR 異常明顯，而如果入射點在坑底，則CPR 異常不明顯；因此該作者傾向于認為CPR 異常是由于探測位置的坡度和粗糙度引起的，而不是因為水冰。LRO的Mini-RF探測到的CPR 異常區(qū)也不僅僅出現(xiàn)在極區(qū)，在其他位置也存在類似的區(qū)域，如圖5所示[15]。這也從側(cè)面表明，CPR 異常不一定就是由水冰導致的。

圖5 LRO探測到的CPR 異常區(qū)域（極區(qū)的用綠色表示，非極區(qū)用黃色表示）[15]Fig.5 CPR abnormal area detected by LRO(green for polar region,yellow for other area)

2 月球水冰賦存形態(tài)分析

在假定月球存在水冰的前提下，水冰的分布情況，包括分布深度、分布范圍和分布區(qū)域等，也是科學研究的熱點。

2.1 縱向分布

JPL 的Hayne[21]團隊開展了月球水冰探測的總結(jié)分析工作，其中列出了已有探測結(jié)果的靈敏度和分辨率，見表1。

從表1可以看出，目前通過遙感手段測量水冰的載荷主要是微波、光學和中子探測儀。

熱中子和GHz 量級的微波在凍土中的穿透深度在m 量級，而光子的穿透深度很淺。可以說，如果光學載荷探測結(jié)果證明有水，則表面或淺表層有水；如果微波雷達和中子探測儀探測結(jié)果證明有水，則m 量級的深度內(nèi)可能有水。

SELENE 的光學反照率測量結(jié)果證明沙克爾頓撞擊坑表面沒有水。因為光的穿透能力很小，獲得的是表面或淺表（μm 量級）的信息，且其相機水平方向分辨率是10 m，所以該測試結(jié)果只能證明沙克爾頓撞擊坑內(nèi)沒有暴露的或淺表層的大面積的純水冰。

綜合當前所有儀器的探測結(jié)果，H 應該是至少分布在表層到m 量級的深度范圍內(nèi)。

表1 已有探測載荷的分辨率和穿透深度Table1 Resolution and penetration depth of the existing payloads

2.2 水平分布

目前的探測結(jié)果認為水是以凍土的形式存在的，但具體是分散的局部的還是大面積的，暫時沒有數(shù)據(jù)支持。所采用的光學探測載荷分辨率在m 量級，雷達探測載荷分辨率在hm 量級，中子探測儀的空間分辨率在km 量級。這些探測結(jié)果證實某個區(qū)域有水，并不能說明在此范圍內(nèi)任意位置都能探測到水。

資料研究顯示當某一區(qū)域的最高溫度低于110 K的時候，水冰和揮發(fā)分子將無法逃逸。對于月球南極緯度高于82.5°的區(qū)域，處在這種低溫環(huán)境下的區(qū)域面積仍有約1.1×104km2，主要集中在南極點附近幾個受關(guān)注度最高的撞擊坑，如沙克爾頓撞擊坑、舒梅克撞擊坑、霍沃思撞擊坑和斯蒂尼撞擊坑。該區(qū)域全年最高溫和平均溫度的分布如圖6所示[21]。

NASA 艾姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）針對月表溫度進行模擬，結(jié)合相應溫度下水的損失率，模擬凍土層深度有1 wt%的冰，理論分析顯示其高能中子的衰減明顯高于現(xiàn)在已有的探測結(jié)果，由此推測并不是所有的溫度在110 K 以下的區(qū)域都有水冰[21]。

圖6 沙克爾頓撞擊坑、舒梅克撞擊坑、霍沃思撞擊坑和斯蒂尼撞擊坑全年最高溫度和平均溫度[21]Fig.6 The highest temperature (a)and the average temperature (b)of the year in the Shackleton crater,Shoemaker crater,Haworth crater and Faustinicrater

LCROSS撞擊探測到撞擊位置水含量在(5.6±2.9)wt%，這比之前利用光譜、雷達或中子譜儀推測的結(jié)果都要高，這可能也是因為LCROSS 撞擊后坑直徑大概30 m，因此代表的是30 m 范圍內(nèi)的測量結(jié)果，而其他探測器的分辨率都超過這個數(shù)據(jù)。也可以推測，水冰應該不是大面積均布的，而是局部分散分布的。但是不排除另外一種可能：因為中子探測儀的探測深度是1 m，而LCROSS的撞擊深度為3 m，如果水冰含量是隨著深度的增大而增大，則也會導致LCROSS測到的含量更高。

月球南極部分撞擊坑內(nèi)的永久陰影區(qū)被認為是最有可能存在水冰的區(qū)域。表2匯總了雷達、中子探測儀和光譜儀對月球南極幾個比較有代表性的撞擊坑的探測結(jié)果，顯示Shoemaker、Shackleton、Haworth 和Cabeus這4個撞擊坑目前來看是最有可能賦存水冰的。

表2 雷達、中子探測儀和光譜儀對月球南極若干典型撞擊坑的探測結(jié)果Table 2 Radar,neutron detector and spectrographic results of several representative craters in the lunar south polar region

3 月球水冰探測展望

遙感探測方式各有其局限性：雷達只對大塊的純水冰敏感，且無法排除地形粗糙度的影響；中子探測儀只能確認目標區(qū)域含H；光譜儀的穿透深度很淺，且最可能存在水冰的永久陰影區(qū)沒有太陽光直射的機會，很難獲取光譜數(shù)據(jù)。因此，要對極區(qū)水冰進行直接的證認，最合適的方法是開展水冰原位探測，采集含水月壤，通過加熱使其釋放水氣，然后用質(zhì)譜分析確定水分子及其含量。

資源勘探者計劃（Resource Prospector Mission,RPM）是NASA 一個在研的低成本月球探測計劃，含有一個軟著陸器和一個巡視器RESOLVE（Regolith &Environment Science and Oxygen &Lunar Volatile Extraction）[22]。RESOLVE 的載荷意在尋找和繪制冰形態(tài)水以及有用化合物的分布，以及展示就地月表取氧，原計劃2018年發(fā)射。其水冰探測載荷主要由兩部分組成，分別是OVEN（揮發(fā)分或者氧氣提取）和LAVA（月球先進揮發(fā)分分析）。OVEN 將揮發(fā)分組分轉(zhuǎn)移至LAVA，氣體成分將通過GC-MS（色譜儀和質(zhì)譜儀）測定，確定其成分和含量；如果有水蒸氣，則壓縮凝結(jié)成水并拍照。為配合取樣設(shè)計了取樣鉆頭，鉆入深度可達100 cm。

俄羅斯的Luna27也將搭載歐洲研制的PROSPECT（Platform for resource observation and in-situ prospecting for exploration,commercial exploitation and transportation）[23]載荷包實現(xiàn)極區(qū)水和揮發(fā)分的原位探測。該載荷包包括鉆頭、揮發(fā)分分析儀器及其他輔助部分，可以鉆取1 m 以內(nèi)的含水樣品，通過加熱的方式獲取水蒸氣及其他揮發(fā)分，并利用質(zhì)譜儀分析其成分和含量。

但是針對前文的分析結(jié)果，水冰很有可能儲存在永久陰影區(qū)內(nèi)，常年無光照，超低溫，而且水冰的分布深度與局部溫度直接相關(guān)。因此在原位探測中必須考慮以下方面：

1）永久陰影區(qū)原位探測方式

永久陰影區(qū)一般分布在深徑比較大的撞擊坑底部。由于坑壁的遮擋，永久陰影區(qū)具有無光照、超低溫、且無法直接對地通信的特點。美國的RPM任務計劃采用RESOLVE 巡視器對永久陰影區(qū)開展原位探測。如果RESOLVE隨著陸器著陸在撞擊坑外，將很難通過移動的方式進入永久陰影區(qū)；如果著陸點選在撞擊坑內(nèi)部，將面臨能源供給和測控通信等難題，且RESOLVE在完成探測任務之后，很難離開撞擊坑。目前來看，一種比較理想的方式是探測器可以通過飛行的方式著陸在撞擊坑底部的永久陰影區(qū)，完成短時原位探測后，再復飛至坑外有光照的區(qū)域。

2）最佳采樣區(qū)域選擇

在對永久陰影區(qū)開展原位探測之前，需根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的分析結(jié)果選取最后可能存在水冰的區(qū)域，同時還需充分考慮工程可實現(xiàn)性，如地形、測控等方面的約束。

3）探測器極端環(huán)境適應技術(shù)

永久陰影區(qū)的特殊環(huán)境比之前月球軟著陸面臨的月面環(huán)境要惡劣得多。由于無光照，所以基于光學特性的敏感器、相機設(shè)備均需重新設(shè)計；并且無光照就意味著沒有太陽能供給，探測器只能在超低溫環(huán)境中依靠自身攜帶的蓄電池提供能源，維持生存和開展探測工作。

4）不確定環(huán)境下的采樣技術(shù)

目前對于水冰的賦存形態(tài)雖然有一定的探測結(jié)果和模型推演，但是爭議較大，探測器在獲取樣品的過程中將面臨樣品物性不確定的風險。普通的月壤是松軟的狀態(tài)，而地面模擬試驗表明月壤在摻入一定量的水之后，在超低溫環(huán)境下將形成十分堅定的凍土。這就對采集樣品的設(shè)備提出了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。并且在樣品獲取的過程中，難免會產(chǎn)生額外的熱量，是否會引起水冰升華從而影響探測結(jié)果，仍需大量工作去驗證。

4 結(jié)束語

本文回顧了月球水冰探測的發(fā)展歷程，對比了基于雷達、中子探測儀和光譜儀等載荷的水冰探測結(jié)果；分析了水冰可能的賦存形態(tài)，認為水冰最有可能局部分散式地分布在表層至m 量級深度的范圍內(nèi)；基于遙感探測結(jié)果，給出了幾個月球極區(qū)最有可能存在水冰的區(qū)域；指出目前的所有探測結(jié)果均存在可質(zhì)疑處和分辨率不足等問題，無法確認月球是否存在水。對于未來的月球水冰探測任務，原位探測才是直接證認月球水冰存在的最有效方式，但原位探測帶來的移動和鉆探能力、能源供給、環(huán)境適應性以及探測干擾影響等工程問題亟待解決。