月球極區著陸環境特性對比及探測建議

張 弘，盛麗艷，馬繼楠，杜 宇，吳 克，張 熇

（北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

0 引言

月球一直是世界各航天大國和機構開展深空探測的首選目標。過去，對月球的著陸探測活動主要集中在月球中低緯地區，但近年來，月球兩極區域因其特殊的地理位置與科學探測價值，特別是被科學界普遍認為存在水冰的永久陰影區，已成為未來月球探測的熱點區域[1-2]。對極區開展著陸就位探測是最為有效、直觀的探測手段，而著陸區選址的具體位置受到極區各類環境的影響。現有的探測數據表明，月球極區環境不同于已經成功著陸過的月球中低緯度區域，主要體現在：極區地形地貌更為復雜；長期處于低溫環境下；太陽高度角低，極點附近存在極晝極夜現象，因而會出現持續光照區和永久陰影區。且月球南北兩極之間也存在較大的環境差異，這將不同程度影響未來極區著陸探測任務的規劃。

目前，人類對月球南北極環境的認識主要來自于已經開展的月球遙感探測任務。通過相關任務的實施，已建立起精度較高的月球極區光學圖像和高程模型等，為月球極區著陸探測任務的著陸區選擇等積累了大量的基礎數據[3-9]。本文基于中國“嫦娥一/二號”（Chang’e-1/2）、美國“月球勘探軌道飛行器”（LRO）和日本“月女神號”（SELENE）的探測數據，對月球極區和中低緯地區的環境差異，以及月球南極和北極的地形、坡度、光照、撞擊坑分布等著陸探測相關環境進行分析和對比，并綜合分析結果給出月球極區著陸探測的工程建議。

1 月球極區探測歷程

截至目前，對月球極區開展過的遙感探測任務共8次，見表1。開展的探測主要圍繞極區光學成像、數字高程、輻射溫度和水冰等方面。基于這些任務的現有探測數據進行建模反演，可計算出極區的地形地貌特征、光照條件、溫度環境、月壤特性等[3-9]。這些關鍵的環境數據對未來的月球極區著陸探測任務規劃至關重要，本文的分析也是基于這些遙感探測數據的結果。

表1 對月球極區已開展的遙感探測任務Table1 The orbiting missions that probed the lunar poles

除遙感探測任務外，與LRO同時發射的“月球坑觀測和遙感衛星”（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite,LCROSS）還對月球南極附近的Cabeus坑進行了撞擊探測，以確定月球表面永久陰影區內是否存在水冰[10]。

2 月球極區環境特性

2.1 地形地貌

本節利用已有的月球遙感任務獲取的地形數據，針對月球南北緯60°之間的中低緯地區、南北緯75°以上極地區域、南北緯85°以上極點附近的熱門探測區域進行地形地貌的分析和比對。

圖1所示為月球南北緯60°之間的中低緯地區高程圖。從圖中可以看出，中低緯地區的地形多為大面積月海和高山，且分布相對獨立，因此對于大部分的區域而言，小范圍內的高程變化較小。圖1中月球背面靠近南極高程較低的區域為艾特肯盆地，其與附近高山的連接處地形起伏略大，但在盆地內部，仍以大面積的平坦低地為主。整個月球中低緯地區的高程差為19 km 左右。

圖1 月球中低緯地區高程示意（南北緯60°之間）Fig.1 The elevation of lunar low latitude area (latitude＜60°)

圖1中標注了“嫦娥三號”（Chang’e-3）和“阿波羅11號”（Apollo-11）這2次典型任務的著陸位置，分別位于月球北緯44°和赤道0°附近，均處于地形起伏較小的平坦地區。圖2所示為這2個著陸位置附近5°經緯區域內的高程示意，經分析，這2個區域內的高程差分別為4 km 和3 km 左右。

圖2 Chang’e-3、Apollo-11著陸位置附近高程示意Fig.2 The elevation around the landing site of Chang’e-3 and Apollo-11

圖3給出了月球南北緯75°以上極地區域的高程情況。月球極地區域相比中低緯地區，地形更為復雜，分布著較多的撞擊坑，且撞擊坑與高地距離較近。整體來看，北極區域的高程起伏較小，存在大面積月海；南極區域則主要以艾特肯盆地和極區正面的高地組成，起伏較大。對南北緯75°以上區域分析可知，北極整體高程差在8 km 左右、南極在15 km左右。可以看出，南極區域的面積雖遠小于中低緯地區，但高程差已比較接近。南極點附近同時存在撞擊坑和高地的地形，北極點附近則相對平坦。

圖3 月球南北極區域高程情況（緯度75°以上區域）Fig.3 The elevation of lunar poles (latitude＞75°)

除極地區域整體的高程差別外，聚焦至目標著陸區域附近，區域內的坡度也會極大影響著陸探測的可行性和可靠性。本文以Chang’e-3、Apollo-11等中低緯著陸位置附近以及月球南北極85°以上的熱點目標探測區域為例，進行坡度分析和對比。圖4所示為Chang’e-3和Apollo-11 著陸位置附近5°經緯區域內的坡度分布，平均坡度分別為3.7°和4.4°，且主要集中在10°以下。

月球南北緯85°以上極點附近區域的坡度情況如圖5所示。可以看出：北極點附近整體坡度更小，小坡度（5°以下）的分布范圍相比南極更為廣泛；南極點附近的撞擊坑坑緣、高山連接處等位置存在更多的較大坡度的分布。經分析，月球北極點附近的平均坡度約為9.0°，南極點附近約為9.9°，均遠大于中低緯典型著陸區的平均坡度。

圖4 Chang’e-3、Apollo-11著陸位置附近坡度分布Fig.4 The slope around the landing site of Chang’e-3 and Apollo-11

圖5 月球極點附近坡度分布（緯度85°以上區域）Fig.5 The slope of lunar poles (latitude＞85°)

從高程和坡度的分析結果可知，相比于中低緯地區，極區的地形地貌更為復雜，呈現出高地、撞擊坑緊密分布，坡度大，局部高程變化大等特點。南、北極之間的對比結果顯示，南極整體的地形地貌情況比北極更惡劣，地形起伏和坡度均明顯高于北極的整體情況，尤其在關注度較高的極點附近，南極點附近分布了多個撞擊坑，坡度變化較大，北極則相對平坦，類似于中低緯地區月海的地形情況。

2.2 溫度環境

著陸區的溫度環境直接取決于月表的光照情況。相比于中低緯地區，極區的光照具有太陽高度角低、受地形地貌影響大的特點[11-12]。如圖6所示，受光照影響，中低緯地區的月晝月夜溫差較大，月晝期間高溫可達近400 K，月夜溫度快速下降，可低至100 K 左右。而月球極區的光照條件存在為期半年的極晝極夜現象，且受地形地貌影響較大，特別是永久陰影區（如撞擊坑底部），由于陽光永遠無法照射到此，溫度極低，在38 K 左右。而在海拔比較高的區域，如撞擊坑坑緣、山頂、山脊等地區，往往能得到長時間連續的光照，表面溫度也相對較高，極晝期間約為128～180 K。

圖6 月球表面溫度隨時間和緯度變化的數值模擬結果[12]Fig.6 Model calculations of lunar surface temperature variationsasa function of local timeand latitude[12]

2.3 永久陰影區分布

月球極區探測的一個重要目標就是水冰探測。關于月球存在水冰的設想由美國的Watson 等在1961年提出[13]。考慮到月球極區接近于0°的太陽高度角，陽光永遠不會直接照射到兩極附近深坑的底部，因此這些區域被稱為永久陰影區。永久陰影區常年照射不到陽光，表層和次表層溫度極低。原始月球脫氣作用產生的水和彗星撞擊月表帶來的水在低溫下很難逃逸到太空中，極有可能以冰的形式長期保存下來[14-18]。因此，月球南北極的永久陰影區分布情況直接影響月球極區探測著陸點選擇的優先級。

根據LRO和SELENE數據得到月球南北極的永久陰影區分布情況[19]如圖7所示，圖中紅色標注的是最大的150個永久陰影區，藍色標注的則是其他較小的永久陰影區。表2給出了月球兩極區域永久陰影區的尺寸及其緯度分布信息。LRO的探測結果表明，月球北極永久陰影區的總面積為12 866 km2，南極為16 055 km2，分別約占北極和南極總面積的4.7%和5.8%[19]。由圖7和表2可以看出，月球北極區域存在數量更多的永久陰影區，但南極區域的永久陰影區分布的集中度更高，且總體看單個永久陰影區的面積更大。因此，按照目前的研究觀點，月球南極區域更有利于水冰的貯存，具有更大的產生突破性探測成果的可能性。

圖7 月球南北極永久陰影區分布[19]Fig.7 Permanently shadowed regions(PSRs)at lunar poles[19]

表2 月球兩極永久陰影區的尺寸和緯度分布信息[19]Table 2 Size distribution of PSRs with their center latitude,for both poles[19]

2.4 極區光照率

月球兩極除了存在永久陰影區外，還因其獨特的地理位置特性和地形的影響，存在著一些長期光照區，有利于探測器實現月面長期能源供給。月球北極指向與黃道面北極指向存在1.54°的夾角，因此在不考慮高程的前提下，月球極點的太陽高度角約在±1.54°之間變化，方位角在0°～360°變化，以1個恒星月為周期[20]。極區的復雜地形對太陽光照條件影響十分顯著，即便是很小的海拔高度提升都有可能明顯改變該地點的光照條件。這導致月球極區存在永久陰影區（如撞擊坑底部），而在海拔比較高的區域，如撞擊坑的坑緣、山頂、山脊等地區，往往能得到長時間連續光照，個別地區的全年光照率可達80%以上。

圖8為南北極點附近區域全年光照率對比[1]。其中，黑色區域表示該地處于永久陰影中，白色區域有幾乎持續的光照。可以看出，南極可以獲得長期光照的區域范圍要明顯大于北極，且更接近極點。初步分析是由于南極附近地區存在高地和撞擊坑坑緣的地形，而北極附近則是類似月海的地貌。

圖8 南北極點附近全年光照率對比[1]Fig.8 Annual illumination map at the both polar regions[1]

3 小結及建議

綜上所述，月球極區的地形地貌和溫度等環境與中低緯地區存在明顯差異，而月球南極和北極作為未來月球極區著陸探測的目標區域，也有著不同的環境特點，其主要特征及對著陸探測的影響體現為：

1）相比于中低緯地區，月球極區的地形地貌更為復雜，撞擊坑和高山緊密交替分布；而對比兩極，月球南極的整體地形起伏和坡度明顯比北極更大，對探測器著陸構成更大的工程挑戰。

2）月球北極區域存在數量更多的永久陰影區，但是月球南極的永久陰影區分布集中度更高，且總體上單個永久陰影區的面積更大。而永久陰影坑是賦存水冰的最佳位置，因此南極更易獲得相關探測成果。

3）月球南極的長期光照區范圍要明顯大于北極，可為探測器的能源需求提供更好的保障。

4）南極的長期光照區與永久陰影區的距離更近，有利于兼顧任務的科學價值和工程需求。

除此之外，月球南極位于月球最古老的撞擊坑——艾特肯盆地范圍內。巨大的撞擊可能挖掘出下月殼甚至月幔的物質，因此撞擊坑被認為是探索月球深部物質組成的重要窗口，極具科學探測價值。且截至目前唯一撞擊過極區月面的LCROSS任務已經獲取了一定關于南極附近Cabeus撞擊坑是否存在水冰的數據，繼續開展南極探測，從探測任務的連續性和科學成果的相互印證角度而言，也具有一定優勢。

可以看出，盡管月球南極的地形地貌等條件相對復雜，在一定程度上會增加探測器的著陸難度，但也存在更好的光照條件和更理想的目標探測區域。因此，綜合環境特性和其他影響因素，相比于中低緯地區和北極，月球南極整體上更適合開展著陸探測，建議以南極作為下一步月球無人探測的目標區域。

4 結束語

月球極區作為未來無人著陸探測的熱點區域，具有和中低緯地區差異較大的地形、溫度、光照等環境特征，將極大影響著陸任務的規劃。本文通過對月球兩極和中低緯地區的著陸環境分析，對各目標著陸區域的特點進行了綜合對比。結果表明，月球南極因其獨特的地形地貌、光照條件、永久陰影區分布情況，整體上具備著優于北極和中低緯地區的著陸探測環境，從探測目的和維持長期探測的需求角度出發，更適合開展極區著陸探測任務。