月球極區(qū)著陸環(huán)境特性對(duì)比及探測(cè)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(shè)計(jì)部，北京100094）

0 引言

月球一直是世界各航天大國(guó)和機(jī)構(gòu)開(kāi)展深空探測(cè)的首選目標(biāo)。過(guò)去，對(duì)月球的著陸探測(cè)活動(dòng)主要集中在月球中低緯地區(qū)，但近年來(lái)，月球兩極區(qū)域因其特殊的地理位置與科學(xué)探測(cè)價(jià)值，特別是被科學(xué)界普遍認(rèn)為存在水冰的永久陰影區(qū)，已成為未來(lái)月球探測(cè)的熱點(diǎn)區(qū)域[1-2]。對(duì)極區(qū)開(kāi)展著陸就位探測(cè)是最為有效、直觀的探測(cè)手段，而著陸區(qū)選址的具體位置受到極區(qū)各類(lèi)環(huán)境的影響?，F(xiàn)有的探測(cè)數(shù)據(jù)表明，月球極區(qū)環(huán)境不同于已經(jīng)成功著陸過(guò)的月球中低緯度區(qū)域，主要體現(xiàn)在：極區(qū)地形地貌更為復(fù)雜；長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境下；太陽(yáng)高度角低，極點(diǎn)附近存在極晝極夜現(xiàn)象，因而會(huì)出現(xiàn)持續(xù)光照區(qū)和永久陰影區(qū)。且月球南北兩極之間也存在較大的環(huán)境差異，這將不同程度影響未來(lái)極區(qū)著陸探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃。

目前，人類(lèi)對(duì)月球南北極環(huán)境的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自于已經(jīng)開(kāi)展的月球遙感探測(cè)任務(wù)。通過(guò)相關(guān)任務(wù)的實(shí)施，已建立起精度較高的月球極區(qū)光學(xué)圖像和高程模型等，為月球極區(qū)著陸探測(cè)任務(wù)的著陸區(qū)選擇等積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3-9]。本文基于中國(guó)“嫦娥一/二號(hào)”（Chang’e-1/2）、美國(guó)“月球勘探軌道飛行器”（LRO）和日本“月女神號(hào)”（SELENE）的探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)月球極區(qū)和中低緯地區(qū)的環(huán)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(cè)相關(guān)環(huán)境進(jìn)行分析和對(duì)比，并綜合分析結(jié)果給出月球極區(qū)著陸探測(cè)的工程建議。

1 月球極區(qū)探測(cè)歷程

截至目前，對(duì)月球極區(qū)開(kāi)展過(guò)的遙感探測(cè)任務(wù)共8次，見(jiàn)表1。開(kāi)展的探測(cè)主要圍繞極區(qū)光學(xué)成像、數(shù)字高程、輻射溫度和水冰等方面?；谶@些任務(wù)的現(xiàn)有探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模反演，可計(jì)算出極區(qū)的地形地貌特征、光照條件、溫度環(huán)境、月壤特性等[3-9]。這些關(guān)鍵的環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)的月球極區(qū)著陸探測(cè)任務(wù)規(guī)劃至關(guān)重要，本文的分析也是基于這些遙感探測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

表1 對(duì)月球極區(qū)已開(kāi)展的遙感探測(cè)任務(wù)Table1 The orbiting missions that probed the lunar poles

除遙感探測(cè)任務(wù)外，與LRO同時(shí)發(fā)射的“月球坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星”（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite,LCROSS）還對(duì)月球南極附近的Cabeus坑進(jìn)行了撞擊探測(cè)，以確定月球表面永久陰影區(qū)內(nèi)是否存在水冰[10]。

2 月球極區(qū)環(huán)境特性

2.1 地形地貌

本節(jié)利用已有的月球遙感任務(wù)獲取的地形數(shù)據(jù)，針對(duì)月球南北緯60°之間的中低緯地區(qū)、南北緯75°以上極地區(qū)域、南北緯85°以上極點(diǎn)附近的熱門(mén)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行地形地貌的分析和比對(duì)。

圖1所示為月球南北緯60°之間的中低緯地區(qū)高程圖。從圖中可以看出，中低緯地區(qū)的地形多為大面積月海和高山，且分布相對(duì)獨(dú)立，因此對(duì)于大部分的區(qū)域而言，小范圍內(nèi)的高程變化較小。圖1中月球背面靠近南極高程較低的區(qū)域?yàn)榘乜吓璧?，其與附近高山的連接處地形起伏略大，但在盆地內(nèi)部，仍以大面積的平坦低地為主。整個(gè)月球中低緯地區(qū)的高程差為19 km 左右。

圖1 月球中低緯地區(qū)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(biāo)注了“嫦娥三號(hào)”（Chang’e-3）和“阿波羅11號(hào)”（Apollo-11）這2次典型任務(wù)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(qū)。圖2所示為這2個(gè)著陸位置附近5°經(jīng)緯區(qū)域內(nèi)的高程示意，經(jīng)分析，這2個(gè)區(qū)域內(nèi)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(qū)域的高程情況。月球極地區(qū)域相比中低緯地區(qū)，地形更為復(fù)雜，分布著較多的撞擊坑，且撞擊坑與高地距離較近。整體來(lái)看，北極區(qū)域的高程起伏較小，存在大面積月海；南極區(qū)域則主要以艾特肯盆地和極區(qū)正面的高地組成，起伏較大。對(duì)南北緯75°以上區(qū)域分析可知，北極整體高程差在8 km 左右、南極在15 km左右?？梢钥闯?，南極區(qū)域的面積雖遠(yuǎn)小于中低緯地區(qū)，但高程差已比較接近。南極點(diǎn)附近同時(shí)存在撞擊坑和高地的地形，北極點(diǎn)附近則相對(duì)平坦。

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

除極地區(qū)域整體的高程差別外，聚焦至目標(biāo)著陸區(qū)域附近，區(qū)域內(nèi)的坡度也會(huì)極大影響著陸探測(cè)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(diǎn)目標(biāo)探測(cè)區(qū)域?yàn)槔?，進(jìn)行坡度分析和對(duì)比。圖4所示為Chang’e-3和Apollo-11 著陸位置附近5°經(jīng)緯區(qū)域內(nèi)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(diǎn)附近區(qū)域的坡度情況如圖5所示。可以看出：北極點(diǎn)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(diǎn)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(jīng)分析，月球北極點(diǎn)附近的平均坡度約為9.0°，南極點(diǎn)附近約為9.9°，均遠(yuǎn)大于中低緯典型著陸區(qū)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(diǎn)附近坡度分布（緯度85°以上區(qū)域）Fig.5 The slope of lunar poles (latitude＞85°)

從高程和坡度的分析結(jié)果可知，相比于中低緯地區(qū)，極區(qū)的地形地貌更為復(fù)雜，呈現(xiàn)出高地、撞擊坑緊密分布，坡度大，局部高程變化大等特點(diǎn)。南、北極之間的對(duì)比結(jié)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(guān)注度較高的極點(diǎn)附近，南極點(diǎn)附近分布了多個(gè)撞擊坑，坡度變化較大，北極則相對(duì)平坦，類(lèi)似于中低緯地區(qū)月海的地形情況。

2.2 溫度環(huán)境

著陸區(qū)的溫度環(huán)境直接取決于月表的光照情況。相比于中低緯地區(qū)，極區(qū)的光照具有太陽(yáng)高度角低、受地形地貌影響大的特點(diǎn)[11-12]。如圖6所示，受光照影響，中低緯地區(qū)的月晝?cè)乱箿夭钶^大，月晝期間高溫可達(dá)近400 K，月夜溫度快速下降，可低至100 K 左右。而月球極區(qū)的光照條件存在為期半年的極晝極夜現(xiàn)象，且受地形地貌影響較大，特別是永久陰影區(qū)（如撞擊坑底部），由于陽(yáng)光永遠(yuǎn)無(wú)法照射到此，溫度極低，在38 K 左右。而在海拔比較高的區(qū)域，如撞擊坑坑緣、山頂、山脊等地區(qū)，往往能得到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的光照，表面溫度也相對(duì)較高，極晝期間約為128～180 K。

圖6 月球表面溫度隨時(shí)間和緯度變化的數(shù)值模擬結(jié)果[12]Fig.6 Model calculations of lunar surface temperature variationsasa function of local timeand latitude[12]

2.3 永久陰影區(qū)分布

月球極區(qū)探測(cè)的一個(gè)重要目標(biāo)就是水冰探測(cè)。關(guān)于月球存在水冰的設(shè)想由美國(guó)的Watson 等在1961年提出[13]?？紤]到月球極區(qū)接近于0°的太陽(yáng)高度角，陽(yáng)光永遠(yuǎn)不會(huì)直接照射到兩極附近深坑的底部，因此這些區(qū)域被稱(chēng)為永久陰影區(qū)。永久陰影區(qū)常年照射不到陽(yáng)光，表層和次表層溫度極低。原始月球脫氣作用產(chǎn)生的水和彗星撞擊月表帶來(lái)的水在低溫下很難逃逸到太空中，極有可能以冰的形式長(zhǎng)期保存下來(lái)[14-18]。因此，月球南北極的永久陰影區(qū)分布情況直接影響月球極區(qū)探測(cè)著陸點(diǎn)選擇的優(yōu)先級(jí)。

根據(jù)LRO和SELENE數(shù)據(jù)得到月球南北極的永久陰影區(qū)分布情況[19]如圖7所示，圖中紅色標(biāo)注的是最大的150個(gè)永久陰影區(qū)，藍(lán)色標(biāo)注的則是其他較小的永久陰影區(qū)。表2給出了月球兩極區(qū)域永久陰影區(qū)的尺寸及其緯度分布信息。LRO的探測(cè)結(jié)果表明，月球北極永久陰影區(qū)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(qū)域存在數(shù)量更多的永久陰影區(qū)，但南極區(qū)域的永久陰影區(qū)分布的集中度更高，且總體看單個(gè)永久陰影區(qū)的面積更大。因此，按照目前的研究觀點(diǎn)，月球南極區(qū)域更有利于水冰的貯存，具有更大的產(chǎn)生突破性探測(cè)成果的可能性。

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

表2 月球兩極永久陰影區(qū)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(qū)光照率

月球兩極除了存在永久陰影區(qū)外，還因其獨(dú)特的地理位置特性和地形的影響，存在著一些長(zhǎng)期光照區(qū)，有利于探測(cè)器實(shí)現(xiàn)月面長(zhǎng)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(diǎn)的太陽(yáng)高度角約在±1.54°之間變化，方位角在0°～360°變化，以1個(gè)恒星月為周期[20]。極區(qū)的復(fù)雜地形對(duì)太陽(yáng)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?cè)摰攸c(diǎn)的光照條件。這導(dǎo)致月球極區(qū)存在永久陰影區(qū)（如撞擊坑底部），而在海拔比較高的區(qū)域，如撞擊坑的坑緣、山頂、山脊等地區(qū)，往往能得到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)光照，個(gè)別地區(qū)的全年光照率可達(dá)80%以上。

圖8為南北極點(diǎn)附近區(qū)域全年光照率對(duì)比[1]。其中，黑色區(qū)域表示該地處于永久陰影中，白色區(qū)域有幾乎持續(xù)的光照?？梢钥闯觯蠘O可以獲得長(zhǎng)期光照的區(qū)域范圍要明顯大于北極，且更接近極點(diǎn)。初步分析是由于南極附近地區(qū)存在高地和撞擊坑坑緣的地形，而北極附近則是類(lèi)似月海的地貌。

圖8 南北極點(diǎn)附近全年光照率對(duì)比[1]Fig.8 Annual illumination map at the both polar regions[1]

3 小結(jié)及建議

綜上所述，月球極區(qū)的地形地貌和溫度等環(huán)境與中低緯地區(qū)存在明顯差異，而月球南極和北極作為未來(lái)月球極區(qū)著陸探測(cè)的目標(biāo)區(qū)域，也有著不同的環(huán)境特點(diǎn)，其主要特征及對(duì)著陸探測(cè)的影響體現(xiàn)為：

1）相比于中低緯地區(qū)，月球極區(qū)的地形地貌更為復(fù)雜，撞擊坑和高山緊密交替分布；而對(duì)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(duì)探測(cè)器著陸構(gòu)成更大的工程挑戰(zhàn)。

2）月球北極區(qū)域存在數(shù)量更多的永久陰影區(qū)，但是月球南極的永久陰影區(qū)分布集中度更高，且總體上單個(gè)永久陰影區(qū)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(guān)探測(cè)成果。

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

4）南極的長(zhǎng)期光照區(qū)與永久陰影區(qū)的距離更近，有利于兼顧任務(wù)的科學(xué)價(jià)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(nèi)。巨大的撞擊可能挖掘出下月殼甚至月幔的物質(zhì)，因此撞擊坑被認(rèn)為是探索月球深部物質(zhì)組成的重要窗口，極具科學(xué)探測(cè)價(jià)值。且截至目前唯一撞擊過(guò)極區(qū)月面的LCROSS任務(wù)已經(jīng)獲取了一定關(guān)于南極附近Cabeus撞擊坑是否存在水冰的數(shù)據(jù)，繼續(xù)開(kāi)展南極探測(cè)，從探測(cè)任務(wù)的連續(xù)性和科學(xué)成果的相互印證角度而言，也具有一定優(yōu)勢(shì)。

可以看出，盡管月球南極的地形地貌等條件相對(duì)復(fù)雜，在一定程度上會(huì)增加探測(cè)器的著陸難度，但也存在更好的光照條件和更理想的目標(biāo)探測(cè)區(qū)域。因此，綜合環(huán)境特性和其他影響因素，相比于中低緯地區(qū)和北極，月球南極整體上更適合開(kāi)展著陸探測(cè)，建議以南極作為下一步月球無(wú)人探測(cè)的目標(biāo)區(qū)域。

4 結(jié)束語(yǔ)

月球極區(qū)作為未來(lái)無(wú)人著陸探測(cè)的熱點(diǎn)區(qū)域，具有和中低緯地區(qū)差異較大的地形、溫度、光照等環(huán)境特征，將極大影響著陸任務(wù)的規(guī)劃。本文通過(guò)對(duì)月球兩極和中低緯地區(qū)的著陸環(huán)境分析，對(duì)各目標(biāo)著陸區(qū)域的特點(diǎn)進(jìn)行了綜合對(duì)比。結(jié)果表明，月球南極因其獨(dú)特的地形地貌、光照條件、永久陰影區(qū)分布情況，整體上具備著優(yōu)于北極和中低緯地區(qū)的著陸探測(cè)環(huán)境，從探測(cè)目的和維持長(zhǎng)期探測(cè)的需求角度出發(fā)，更適合開(kāi)展極區(qū)著陸探測(cè)任務(wù)。