水冰是月球上最重要的資源之一，存在于極區。當前，水冰探測已成為月球研究熱點。既往研究通過多種手段發現月球南極地區永久陰影區存在水冰，但水冰的含量、分布和存在形式等仍不清楚。
中國科學院地質與地球物理研究所聯合國家天文臺和國家空間科學中心，利用三亞非相干散射雷達（SYISR）與500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）組成的70cm波長地基雙站雷達系統，對月球南極地區進行雷達遙感觀測。
利用FAST的高靈敏度優勢和雙圓極化信號接收能力，并應用距離多普勒成像技術，該聯合實驗獲取了月球南極地區雷達回波圓極化比（CPR）月表二維分布圖像。通常，干燥的硅酸鹽風化層的行星表面雷達CPR在0.4~0.5左右，若存在大面積的層狀冰，雷達CPR會出現大面積連續增強至大于1的現象。探測結果顯示沒有層狀冰相對應的大面積CPR連續增強特征，但該團隊結合Diviner月球輻射計獲取的月表溫度數據以及月船1號月球礦物成像儀（M3）診斷的月表暴露的水冰位置信息，在月球南極地區部分永久陰影區發現疑似碎冰產生的斑塊狀CPR增強特征。這種以碎塊或顆粒的形式混合在風化層中的水冰通過相干后向散射對抗效應（CBOE）增強雷達CPR。
基于SYISR與FAST地基雙站雷達系統獲取的月球南極雷達CPR數據，考慮準鏡面散射、漫散射以及以CBOE為主的體散射機制，該團隊對月球含碎冰風化層在雷達CPR中的響應進行經驗建模。模型分別考慮無冰月壤以及純冰情況下，不同雷達入射角時CPR的響應，并將這兩種情況進行一定比例的混合來模擬一定水冰含量的月球風化層在雷達CPR上的表征。同時，這一模型可以作為反演工具，將雷達實測的CPR和入射角信息作為輸入，反演得到水冰含量。
碎冰產生的斑塊狀CPR增強較弱，與石塊產生的粗糙度貢獻難以區分。該研究忽略石塊對CPR的貢獻，使用上述模型對月球南極地區的水冰含量上限進行反演估計。為盡可能排除粗糙度導致的CPR增強被誤識別的可能性，該團隊通過M3診斷的月表暴露冰位置以及Diviner測得的年月表最大溫度數據對水冰分布進行約束。最終反演結果顯示，70cm波長雷達探測到的月球南極水冰含量上限為0至6 wt.%，這些水冰推測以米級尺度冰碎塊的形式存在于10m深的月球風化層中。
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，有望為未來月球南極水冰采集任務的著陸點選擇提供參考。
相關研究成果發表在《科學通報》（Science Bulletin）上。
論文鏈接
SYISR與FAST地基雙站雷達月球成像實驗觀測幾何示意圖。注：BA：雙站角，BW：波束寬度
月球南極地區（84°-90°S）的多手段數據綜合分析圖及水冰含量分布圖
本文鏈接：科研人員通過地基雷達實驗估算月球南極永久陰影區潛在水冰含量http://www.sq15.cn/show-12-1085-0.html
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