科研動(dòng)態(tài) | 空間中心科研人員關(guān)于月球南極沙克爾頓區(qū)域水冰穩(wěn)定性研究取得新進(jìn)展

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我國(guó)嫦娥七號(hào)(CE-7)探測(cè)任務(wù)候選著陸區(qū)臨近月球南極的沙克爾頓撞擊坑，CE-7重要科學(xué)任務(wù)之一是開展月球南極水冰的高精度遙感和就位探測(cè)。水冰（熱）穩(wěn)定性反映的是在長(zhǎng)期、地質(zhì)時(shí)間尺度上水冰升華損失的難易程度。評(píng)價(jià)水冰的穩(wěn)定性對(duì)于了解水冰在月球極區(qū)的分布特征意義重大。尤其對(duì)于CE-7的南極水冰就位探測(cè)任務(wù)，水冰穩(wěn)定性的研究可以指導(dǎo)探測(cè)，有助于確定更有可能保存水冰的區(qū)域。

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間中心（以下簡(jiǎn)稱“空間中心”）太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)在關(guān)于月球南極沙克爾頓區(qū)域水冰穩(wěn)定性研究方面取得新進(jìn)展。研究通過(guò)考慮低溫條件下的月壤熱性質(zhì)，構(gòu)建了月球極區(qū)水冰熱穩(wěn)定性模型，并應(yīng)用于南極沙克爾頓區(qū)域（圖1），開展了高空間分辨率的水冰熱穩(wěn)定性模擬，研究了當(dāng)?shù)氐谋砻孑椛洹⒃氯罍囟取⑺€(wěn)定區(qū)域的分布特征，并討論了模擬結(jié)果對(duì)于CE-7南極水冰就位探測(cè)的意義。

圖1 研究區(qū)域：（a）黃色框線區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，包括沙克爾頓撞擊坑及其周圍區(qū)域；（b）研究區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）；（c）圖b中A-A’的高程剖面；（d）坡度分布。星號(hào)標(biāo)記了月球南極。

模擬的研究區(qū)域光照和熱輻射的分布見(jiàn)圖2a和2b。沙克爾頓撞擊坑內(nèi)部的大部分區(qū)域?yàn)橛谰藐幱皡^(qū)（PSRs），但是熱輻射的分布不均勻，而坑外遍布不同大小的PSRs和弱光照區(qū)域。在沙克爾頓撞擊坑內(nèi)，年平均表面溫度的數(shù)值大小分布不均；坑底較平坦區(qū)域的平均溫度更低（圖2c）。此外，我們將年平均表面溫度的模擬結(jié)果與Diviner觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相比于Diviner結(jié)果（圖2d），我們模擬的坑內(nèi)年平均溫度要更低。

圖2 研究區(qū)域的光照與表面溫度：（a）直接太陽(yáng)輻射的年最大值，實(shí)線為PSRs；（b）熱輻射的年最大值，未著色區(qū)域?yàn)闊彷椛渥畲笾敌∮?.5 W/m2的區(qū)域；（c）模擬的年平均表面溫度，沙克爾頓撞擊坑內(nèi)部的空間分辨率為~50 m/px；（d）Diviner觀測(cè)溫度的年平均值，空間分辨率為~240 m/px。虛線圈出為沙克爾頓撞擊坑的坑緣。

基于模擬的月壤溫度，通過(guò)計(jì)算水冰年平均升華速率并將其與100 kg/(m2·Gyr)的升華速率界限值相比較，可得到水冰等揮發(fā)分的穩(wěn)定性分布。圖3展示了沙克爾頓撞擊坑及其周圍的水冰和其它揮發(fā)分穩(wěn)定區(qū)域（也稱冷阱區(qū)域）。我們?cè)诳觾?nèi)不僅識(shí)別到了水冰冷阱，也識(shí)別到了HCN、SO2和NH3的冷阱。由于它們的升華溫度不斷減小，其冷阱面積也在不斷減小。我們識(shí)別的水冰冷阱面積要稍大于前人基于Diviner表面溫度確定的水冰冷阱面積。此外，根據(jù)我們的模擬結(jié)果，HCN冷阱不僅在壁面的部分區(qū)域存在，也可能存在于坑底的大多數(shù)平坦區(qū)域。

圖3 沙克爾頓撞擊坑及周圍區(qū)域水冰和其他揮發(fā)分的穩(wěn)定區(qū)域。

圖例標(biāo)出了各揮發(fā)分的升華溫度。

本研究考慮低溫條件下的月壤熱性質(zhì)，構(gòu)建了極區(qū)水冰熱穩(wěn)定性模型。模型能夠計(jì)算出光照、月壤溫度以及水冰等揮發(fā)分的穩(wěn)定分布區(qū)域，可應(yīng)用于分析月球南極特別是CE-7著陸區(qū)水冰熱穩(wěn)定性，從而確定水冰潛在分布區(qū)域，為未來(lái)CE-7的水冰探測(cè)任務(wù)提供重要支撐。

上述研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊The Planetary Science Journa上，論文第一作者為空間中心特別研究助理張杰博士，通訊作者為空間中心劉洋研究員。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家空間科學(xué)中心攀登計(jì)劃的支持。

論文信息：

Zhang J, Liu Y, Guo D, et al. Thermal Stability of Ice at Shackleton Crater: Implications for Water Ice Detection for the Chang’E-7 Mission [J]. The Planetary Science Journal, 2026, 7:42. https://doi.org/10.3847/PSJ/ae3c86

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