水冰是月球上最重要的資源之一，存在于極區(qū)，未來十年包括美國(guó)Artemis登月、中國(guó)嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)等月球探測(cè)任務(wù)均瞄準(zhǔn)月球南極，水冰的探測(cè)已經(jīng)成為月球研究的熱點(diǎn)。前人的研究已通過多種手段表明月球南極地區(qū)永久陰影區(qū)中存在水冰，但水冰的含量、分布以及存在形式等問題仍然不清楚。
中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理學(xué)科中心非相干散射雷達(dá)項(xiàng)目組聯(lián)合國(guó)家天文臺(tái)和國(guó)家空間科學(xué)中心，利用三亞非相干散射雷達(dá)（SYISR）與500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）組成的70cm波長(zhǎng)地基雙站雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)月球南極地區(qū)進(jìn)行了雷達(dá)遙感觀測(cè)（如圖1）。利用FAST的高靈敏度優(yōu)勢(shì)和雙圓極化信號(hào)接收能力，并應(yīng)用距離多普勒成像技術(shù)，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)獲取了月球南極地區(qū)雷達(dá)回波圓極化比（CPR）月表二維分布圖像（如圖2b）。依據(jù)前人的研究，通常干燥的硅酸鹽風(fēng)化層的行星表面雷達(dá)CPR在0.4~0.5左右，若存在大面積的層狀冰，雷達(dá)CPR會(huì)出現(xiàn)大面積連續(xù)增強(qiáng)至大于1的現(xiàn)象。探測(cè)結(jié)果顯示沒有層狀冰相對(duì)應(yīng)的大面積CPR連續(xù)增強(qiáng)特征，但結(jié)合Diviner月球輻射計(jì)獲取的月表溫度數(shù)據(jù)以及月船1號(hào)月球礦物成像儀（M3）診斷的月表暴露的水冰位置信息，在月球南極地區(qū)部分永久陰影區(qū)中發(fā)現(xiàn)疑似碎冰產(chǎn)生的斑塊狀CPR增強(qiáng)特征。這種以碎塊或顆粒的形式混合在風(fēng)化層中的水冰會(huì)通過相干后向散射對(duì)抗效應(yīng)（CBOE）增強(qiáng)雷達(dá)CPR。
圖1 三亞非相干散射雷達(dá)（SYISR）和500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）地基雙站雷達(dá)月球成像實(shí)驗(yàn)觀測(cè)幾何示意圖。注：BA：雙站角。BW：波束寬度。
基于SYISR與FAST地基雙站雷達(dá)系統(tǒng)獲取的月球南極雷達(dá)CPR數(shù)據(jù)，考慮準(zhǔn)鏡面散射、漫散射以及以CBOE為主的體散射機(jī)制，該研究對(duì)月球含碎冰風(fēng)化層在雷達(dá)CPR中的響應(yīng)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)建模。模型分別考慮了無(wú)冰月壤以及純冰情況下，不同雷達(dá)入射角時(shí)CPR的響應(yīng)，并將這兩種情況進(jìn)行一定比例的混合來模擬一定水冰含量的月球風(fēng)化層在雷達(dá)CPR上的表征。該模型也可以作為反演工具，將雷達(dá)實(shí)測(cè)的CPR和入射角信息作為輸入，反演得到水冰含量。
碎冰產(chǎn)生的斑塊狀CPR增強(qiáng)較弱，與石塊產(chǎn)生的粗糙度貢獻(xiàn)難以區(qū)分。該研究忽略石塊對(duì)CPR的貢獻(xiàn)，使用上述模型對(duì)月球南極地區(qū)的水冰含量上限進(jìn)行了反演估計(jì)。為了盡可能排除粗糙度導(dǎo)致的CPR增強(qiáng)被誤識(shí)別的可能性，通過M3診斷的月表暴露冰位置以及Diviner測(cè)得的年月表最大溫度數(shù)據(jù)對(duì)水冰分布進(jìn)行了約束。最終反演結(jié)果顯示70cm波長(zhǎng)雷達(dá)探測(cè)到的月球南極水冰含量上限為0-6 wt.%（如圖2d所示，隨分布區(qū)域不同而有所差異），這些水冰推測(cè)以米級(jí)尺度冰碎塊的形式存在于十米深的月球風(fēng)化層中。
圖2. 月球南極地區(qū)（84°-90°S）的多手段數(shù)據(jù)綜合分析圖以及水冰含量分布圖。(a)，月球南極地區(qū)的全年月表最高溫度圖，低于110K為冷井，提供了水冰長(zhǎng)期保存的環(huán)境。(b)，雷達(dá)圓極化比(CPR)圖疊加在全年月表最高溫度圖上，雷達(dá)陰影區(qū)沒有圓極化比信息，因此無(wú)顏色覆蓋。(c)，全年月表最高溫度圖上標(biāo)記月球礦物成像儀(M3)識(shí)別的月表暴露水冰位置，顏色代表通過插值計(jì)算的雷達(dá)CPR值，白點(diǎn)代表位于雷達(dá)陰影中的M3水冰位置，因此沒有CPR信息。(d)，水冰含量上限分布圖疊加在全年月表最高溫度圖上，顏色代表水冰含量。
研究成果日前發(fā)表于綜合性期刊Science Bulletin上。該研究得到的水冰含量上限及其分布為月球水冰演化研究提供了重要信息，可對(duì)未來月球南極水冰采集任務(wù)的著陸點(diǎn)選擇提供參考，且有利于未來人類月球基地建設(shè)任務(wù)的計(jì)劃與設(shè)計(jì)。[Li, M.#, Sun, J.#, Yue, X.*, Lin, H., Chen, Z., Ding, F., Ning, B., Wei, Y., Wang, C., & Jiang, P.*. Upper limit of ice content at the lunar south pole as revealed by the Earth-based SYISR–FAST bistatic radar system[J], Science Bulletin, 2025. DOI: 10.1016/j.scib.2025.02.033]