科研人员通过地基雷达实验估算月球南极永久阴影区潜在水冰含量

水冰是月球上最重要的资源之一，存在于极区。当前，水冰探测已成为月球研究热点。既往研究通过多种手段发现月球南极地区永久阴影区存在水冰，但水冰的含量、分布和存在形式等仍不清楚。

中国科学院地质与地球物理研究所联合国家天文台和国家空间科学中心，利用三亚非相干散射雷达（SYISR）与500米口径球面射电望远镜（FAST）组成的70cm波长地基双站雷达系统，对月球南极地区进行雷达遥感观测。

利用FAST的高灵敏度优势和双圆极化信号接收能力，并应用距离多普勒成像技术，该联合实验获取了月球南极地区雷达回波圆极化比（CPR）月表二维分布图像。通常，干燥的硅酸盐风化层的行星表面雷达CPR在0.4~0.5左右，若存在大面积的层状冰，雷达CPR会出现大面积连续增强至大于1的现象。探测结果显示没有层状冰相对应的大面积CPR连续增强特征，但该团队结合Diviner月球辐射计获取的月表温度数据以及月船1号月球矿物成像仪（M³）诊断的月表暴露的水冰位置信息，在月球南极地区部分永久阴影区发现疑似碎冰产生的斑块状CPR增强特征。这种以碎块或颗粒的形式混合在风化层中的水冰通过相干后向散射对抗效应（CBOE）增强雷达CPR。

基于SYISR与FAST地基双站雷达系统获取的月球南极雷达CPR数据，考虑准镜面散射、漫散射以及以CBOE为主的体散射机制，该团队对月球含碎冰风化层在雷达CPR中的响应进行经验建模。模型分别考虑无冰月壤以及纯冰情况下，不同雷达入射角时CPR的响应，并将这两种情况进行一定比例的混合来模拟一定水冰含量的月球风化层在雷达CPR上的表征。同时，这一模型可以作为反演工具，将雷达实测的CPR和入射角信息作为输入，反演得到水冰含量。

碎冰产生的斑块状CPR增强较弱，与石块产生的粗糙度贡献难以区分。该研究忽略石块对CPR的贡献，使用上述模型对月球南极地区的水冰含量上限进行反演估计。为尽可能排除粗糙度导致的CPR增强被误识别的可能性，该团队通过M³诊断的月表暴露冰位置以及Diviner测得的年月表最大温度数据对水冰分布进行约束。最终反演结果显示，70cm波长雷达探测到的月球南极水冰含量上限为0至6 wt.%，这些水冰推测以米级尺度冰碎块的形式存在于10m深的月球风化层中。

该研究得到的水冰含量上限及其分布为月球水冰演化研究提供了重要信息，有望为未来月球南极水冰采集任务的着陆点选择提供参考。

相关研究成果发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。

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