中国月尘探测进展及后续展望

月球尘埃研究具有重要的科学和工程价值。目前对月球尘埃运动规律、运动机理等的了解非常有限,对尘埃运动物理参数缺少系统的定量测量,严重制约了月球尘埃的科学研究。阿波罗17号宇航员观察到的月尘扬起及其物理机制迄今为止在科学上仍然是一个谜。中国的嫦娥三号月球探测任务得到了月面上的尘埃沉积数据及尘埃活动高度数据,表明尘埃活动具有显著的地域差异。在嫦娥五号采样返回任务中将研究月尘带电方面的物理特性。探月后续任务中如果能够在高纬度地区首次系统地定量测量月尘运动的物理参数,将会揭示不同经纬度区域、不同太阳光照条件、不同太阳风条件、不同地形条件下的尘埃活动规律及其关键影响因素,对高精度数值模型的建立及其参数选择提供定量限制,必将取得新的重要科学发现。     

特约主编致读者

正欧阳自远(1935—)院士1956年毕业于北京地质学院勘探系,长期从事天体化学与比较行星学研究,是我国天体化学学科的开创者。欧阳自远院士提出了我国月球探测的发展战略和规划,从而牵引出我国"探月工程"的国家立项,担任中国月球探测工程首席科学家。在欧阳自远院士的亲切关怀和直接指导下,在国家自然科学基金、中国科学院地球化学研究所领域前沿课题以及中国地质大学(北京)探月工程科研团队的大力支持下,以月球起源和演化过程的整体性和规律性认识为指导,以我国"嫦娥一号"、"嫦娥二号"、"嫦娥三号"任务科学探测数据和其他已     

微波雷达在嫦娥探月工程中的应用

微波穿透雷达对月球的观测方式可以分为地基、星载环绕、星地联合以及就位探测等.对比其他探测手段,微波雷达在探测范围和空间分辨率上有很明显的优势,因此在月球和其他行星探测中起着重要的作用.国内外越来越多的深空探测任务已经或准备携带微波雷达,用于探索地外天体的浅表层地质结构,以了解行星地质过程和演化历史.本文综述了我国嫦娥三号和四号月球车玉兔号和玉兔2 号在就位微波雷达(测月雷达)探测月球浅表层地质结构方面所取得的新进展,重点阐述了测月雷达在揭示月壤内部的精细结构、表层与次表层地质结构探测等方面的应用.最后,展望了我国月球微波雷达的发展趋势.     

月球重力场研究及其应用进展

月球重力场研究及相关应用是月球科学探测中的重要内容之一。本文回顾了月球重力测量及月球重力场模型、月球地形模型等主要研究进展,总结了月球重力场（包括地形）在月球内部结构研究,特别是在月壳结构以及月球质量瘤等方面取得的研究成果。此外,月球重力场还应用于月幔／月核研究、月球均衡状态、月球物质成分及月球演化历史的研究中。随着我国嫦娥探月计划的实施,利用其探测数据建立自主重力场模型及地形模型成为我国探月研究的基础工作之一。在此基础上可开展月壳结构、月球均衡状态、月球质量瘤及月壳成分等研究,同时借鉴地球科学中相关学术思想和方法技术,从而促进对月球及类地行星等结构的研究。     

月球的撞击历史及其对月表物质的改造

外来天体物质的高速撞击作用贯穿了月球形成和演化的全部历史。撞击作用是塑造月球全球地貌、改造月表物质的物理化学特征、影响月球多圈层演化的重要地质营力。月球上的撞击过程、撞击历史及其对月表物质的改造，一直是月球科学研究的重要内容，也是月球探测的重点研究对象。本文综述了近十年来国、内外在月球的撞击过程、撞击历史和撞击改造浅表层物质研究中的重要进展，重点介绍了基于我国嫦娥探月工程获取的科学数据的相关研究成果，展望了该研究的发展方向，并对未来探测的重要观测目标提出了建议。     

月面环境过程研究评述

月球在停止强烈地质活动后,持续了30多亿年的月面环境过程,虽破坏了月球早期岩浆洋演化和撞击事件的原始信息,但也很好地将这一过程信息刻录到了月表物质和月面环境现象中。一方面,长期的太空风化过程形成了月壤颗粒特有的表层微观结构、np Fe0、Fe-Si化合物及矿物水等;另一方面,这些特性又是影响月球表面热环境及尘埃环境的重要因素。在当前月球探测快速推进的形势下,工程实施迫切需要更系统地认识月面环境过程,而我国嫦娥五号任务将实现月球采样返回,也将是开展月面环境过程研究的重要契机。为此,本文总结了月面环境过程研究的现状,分析了存在的主要问题和未来研究的方向。     

人类探月历程回顾与展望——写在嫦娥1号发射之前

据报道，我国的嫦娥1号探月工程已临近探测器发射阶段，探月飞船将于今年下半年发射升空。飞船接近月球时将释放一颗绕月飞行的月球探测卫星，对有开发利用前景的月球资源进行全球性、整体性与综合性的探测，并对月球表面的地貌、地形、地质构造、环境与物理场进行探测。其科学     

嫦娥五号返回样品的科学研究前景

深空探测是国家综合国力的集中体现,也是各航天大国科技竞争的制高点。自2007年嫦娥探月工程顺利实施以来,我国已经成为全球第二次探月热潮里的中坚力量。嫦娥五号采样工程的成功,使人类在间隔44年后再一次获得来自月球的珍贵样品,标志着中国探月工程上了更高的台阶。海量探测数据的获取和月球样品的返回,将为月球形成演化等重大科学问题的研究提供新的视角与支撑。放眼未来,我国月球极区探测、载人登月和月球科研站建设已经列入规划,工程探测和科学研究的目标已从“认识月球”逐步向“开发月球”“利用月球”转变。对于月球土壤样品的研究,中国科学院地球化学研究所具有良好的基础,曾对来自Apollo的月壤样晶进行过详细的研究,本次针对嫦娥五号样品,该所承担了月壤特性及其形成演化历史等方面的研究工作。为让广大科技工作者和社会公众了解这一工作进展,本刊特邀地球化学所李阳博士撰文介绍相关情况,后续工作本刊还将进行跟踪报道。     

月表典型区撞击坑形态分类及分布特征

月球表面环形构造主要有撞击坑、火山口和月海穹窿3种,其中撞击坑分布最广泛,是研究月表环形构造的主要内容。由于月表撞击坑数量大、种类多及其形成伴随着整个月球地质的演化过程,因此这种月表地形地貌比较完整地记录了月球表面地貌随时间的改造过程以及改造类型。文中通过研究撞击坑遥感影像及形貌特征,总结归纳为简单型、碗型、平底型、中央隆起型、同心环型、复杂型及月海残留型7种撞击坑类型,用来描述月表典型区域撞击坑的形态特征。从结构和物质两方面进行了月表典型区域撞击坑的形态地貌参数提取,综合利用嫦娥一号CCD 影像数据、LROC数据,得到了该区域撞击坑形态数据(坑底、坑唇、坑壁、坑缘、溅射物覆盖层、中央峰)和形态测量数据(直径、深度、地理位置)。研究发现,LQ 4地区的撞击坑分布可分为月陆区和月海区,月陆区的撞击坑多以中小型撞击坑为主,其分布密度极高,形成年代较早,月海区撞击坑多为年轻的撞击坑,分化程度较低,分布密度也较低。     

基于ArcGIS的月球数字地质填图:以月球北极地区为例

月球数字地质填图是以中国探月工程获得的"嫦娥一号"(CE-1)CCD3C影像数据、干涉成像光谱仪(IIM)数据、激光高度计(LAM)数据,"嫦娥二号"(CE-2)CCD3C影像数据以及其他已有的月球地质资料为基础,通过对月表物质成分、构造要素、地质时代信息的研究,基于ArcGIS平台与Geodatabase数据模型,编制月球地质图并建立空间数据库。文中以月球北极地区为例,制定月球地质填图的标准、流程、方法和图示图例,编制1∶250万月球北极地区地质图(YQ-1),建立空间数据库,为开展月球地质综合研究、编制全月球地质图及未来开展其他天体的地质编图工作奠定基础。     

基于嫦娥一号卫星激光高度计数据的月表有效反射率

月壤厚度反演是我国月球探测的重要科学目标之一,其重要影响因素之一就是月球表面的有效反射率.前人在月壤厚度反演研究中使用了光滑月表反射率模型,使得月表水平极化反射率和水平极化反射率分别为0.063和0.028(观测角:30°).然而,月球表面是非常粗糙的,必须建立适合粗糙月球表面的有效反射率模型.因此,以嫦娥一号卫星微波辐射计数据的空间分辨率(3 GHz通道,56 km×56 km)为标准,利用每个微波辐射计像元范围内的激光高度计数据(8×8个)建立相应的粗糙月表模型.然后,基于Q/H模型,进行月球表面的有效反射率研究,生成了观测角为30°时月球表面水平极化有效反射率和垂直极化有效反射率分布图.结果表明,月球表面的粗糙性对月表反射率影响很大,使得水平极化反射率降低,局部地区降至0.050;垂直极化反射率增加,局部地区可达0.040,增幅达40%.     

基于多尺度数字地形定量分析的月球线性构造自动提取研究

月球表面构造对于理解和重建月球地质构造演化具有重要意义,月岭、月溪等线性构造的形态及分布特征与月球内动力构造运动密切相关。极为有限的样品和难度极高的野外勘察使得遥感成为行星科学研究的最主要手段。中国、美国、日本、印度等国先后发射的多颗新型探月卫星获取了大量高质量数据,尤其是高分辨率的数字地形数据(DTM,Digital Terrain Model)。高分辨率的DTM为月球表面构造特征的自动提取带来了新的机遇与挑战。文中利用多种分辨率的DTM数据,基于多尺度数字地形定量分析方法,识别和提取月球表面的线性构造。使用的地形数据包括500 m分辨率“嫦娥一号”激光高度计数据,100 m分辨率LRO-WAC广角相机数据,60 m分辨率的LRO-LOLA激光测距仪数据以及分辨率高达5 m的LRO-NAC窄视角相机数据。文中使用地形曲率来识别月溪月岭等线性构造,并利用不同滑动窗口大小和阈值进行线性构造的自动提取。对研究区试验结果的定量分析表明,文中提出的基于地形曲率的月表线性构造自动提取方法是有效且可行的,其结果可为月球表面线性构造解译提供重要参考,提高构造解译时效性和精度。     

嫦娥一号干涉成像光谱仪数据再校正与全月铁钛元素反演

月球表面的元素和物质成分分布是理解月球成岩与地质演化历史的重要线索。嫦娥一号干涉成像光谱仪(IIM)是我国首台月球探测成像光谱仪器,其获得的大量月球高光谱数据已成为我国未来探测月球成分与地质演化研究的宝贵基础数据。本文利用探月工程地面应用系统发布的IIM B版本2C级数据,开发出一套数据再定标流程,获得了较为可靠的月表相对反射率数据。我们在新校正数据的基础上开展月球表面FeO、TiO_2的反演建模,获得了全月FeO和TiO_2分布图,这些图件是进行月球地质填图的基础。校正数据反演的FeO和TiO_2分布与前人对Clementine UVVIS数据的反演结果相近,表明干涉成像光谱仪数据具有较大的应用潜力。高地的低铁岩石成分(一般小于8%)佐证了月球月壳形成的过程中的岩浆洋分异假说,而月海玄武岩的TiO_2成分变化范围较大(0~13%)则表明月海玄武岩来源于不同的月幔源区。根据嫦娥一号干涉成像光谱仪全月FeO分布图,可将月球表面物质类型总体划分为高地斜长岩和月海玄武岩,而根据TiO_2分布可以进一步将月海玄武岩划分为5种不同钛含量的玄武岩岩石类型。FeO和TiO_2在全月范围内的分布表明Apollo和Luna返回的月球样品不能够代表全月范围内的矿物成分多样性,月球岩浆演化历史比前人认为的要复杂。未来月球样品返回任务(如嫦娥五号)如能赴这些特殊地区进行取样,将很有可能返回重要的月球科学研究发现和成果。     

月球佩塔维厄斯幅(LQ-21)数字地质填图与区域地质演化特征

佩塔维厄斯幅月球地质图(LQ-21)位于近月面与远月面交接位置,又处于月海和月陆的过渡区,周边邻近酒海、丰富海、史密斯海等大型撞击盆地,是月球数字地质填图工作中的一个典型区域。研究该地区的地质发育概况有助于了解月球的发展演化历史。本文利用中国探月工程所获得的“嫦娥一号”(CE-1)CCD影像数据、干涉成像光谱仪(IIM)数据、激光高度计(LAM)数据和“嫦娥二号”(CE-2)CCD影像数据以及其他已有的月球地质资料,应用ArcGIS平台,开展月表物质成分、构造要素、地质时代信息的研究和数字填图工作,编制了1: 2 500 000佩塔维厄斯幅(LQ-21)数字月球地质图,总结了该地区区域地质演化历史并建立地质图空间数据库。     

基于“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据的月球岩石类型填图:以月球雨海—冷海地区(LQ-4)为例

月球表面的岩石类型分布是理解月球岩浆演化的线索。随着出现越来越多的月球探测数据,利用我国的月球探测数据开展数据挖掘,以获得更深刻的科学认识,这是促进相关研究领域发展的当务之急。文中在进一步校正干涉成像光谱仪数据的基础上,获得了更为可靠的月表FeO和TiO2、镁指数填图等。在调研已有的月球岩石分类标准的基础上,根据我们的月表成分填图结果并结合Lunar Prospector Th元素数据,将月球岩石分为亚铁斜长岩、富镁结晶岩套、克里普岩和5种不同钛含量月海玄武岩等8类岩石。笔者以月球正面雨海—冷海(LQ-4)地区为例,做出该区域的岩石分类图,并讨论了该地区的岩石成因。该地区覆盖"嫦娥三号"着陆区,包含月球雨海撞击事件所形成的玄武岩岩浆泛滥区,对于理解月球的岩浆演化具有重要的研究价值。笔者利用岩石类型分布图,结合岩石同位素年龄数据,与对该地区岩石类型分布及其所代表的月球岩浆演化历史进行了讨论。此外,笔者也对"嫦娥三号"着陆区的FeO、TiO2和镁指数、岩石类型等进行了初步判别,有待于与玉兔号搭载的探测仪器测量结果相互验证。     

月球光学遥感与制图研究进展

在月球探测活动中,光学成像探测是任务重点,也是信息量最大的数据源。航天技术和传感器技术的发展促进了月球光学遥感的发展,月球科学研究也越来越依赖于高分辨率遥感数据,对月球光学遥感与制图的研究是月球探测的关键问题之一。本文扼要论述了其中的几个方面,包括月球光学遥感数据获取系统、月球遥感立体测绘和制图,以及月球控制网构建等方面的研究进展。     

基于FDTD的月壤分层雷达探测正演模拟

“嫦娥三号”巡视器上搭载的测月雷达通过500 MHz频率的天线,对巡视路线上的月壳浅层结构进行剖面式观测,能探测到月球地底下30 m深土壤层的结构。为了更好地分析测月雷达的探测结果,文中对月壤分层进行正演模拟,月岩层的介电常数采用与“嫦娥三号”登月点位置最近的Apollo 15的电性参数近似代替,月壤的介电常数是一个和密度相关的值且随深度的变化而变化。根据以上参数建立模型,基于时域有限差分（FDTD）原理,利用GprMax对月壤分层结构进行模拟,建立的模型包括月表介电常数随深度变化二层模型和月岩层存在下界面三层模型,并对其波形特征进行分析,找到月壤层次划分的一般规律,对“嫦娥三号”测月雷达数据的分析提供理论依据。     

基于嫦娥二号微波辐射计数据月球中低纬度亮温异常区地质分析研究

月球表面的微波辐射亮度温度与月表地质结构和月表物质的物理化学特性相关。为了对月球亮温分布异常区域进行地质分析,文章首先计算嫦娥亮温数据的时角,采用克里金插值的方法得到了不同频率不同时刻中低纬度的微波亮温图。结合奇异值分解(SVD)模型分析了月表亮温变化异常,结果表明风暴洋位置和靠近月海东北部的高地区域等存在亮温变化异常,月海区域(除风暴洋外)为3 GHz和37 GHz两个场的总体相关区域。通过对月球火山分布地区的区域亮温变化进行分析,发现这热异常可能是由于月球火山活动造成的。     

月球风暴洋地区元素丰度研究:“嫦娥二号”X射线谱仪探测数据分析

月球表面的元素丰度是研究月表物质分布的基础数据,可以提供月球地质演化历史的重要信息。探月工程"嫦娥二号"卫星搭载了一台X射线谱仪,自2010年10月1日发射以来,获得了丰富的观测数据。在X射线谱仪长达7个月的对月球观测期间,发生过多次太阳爆发。文中利用2011年2月16日9时一次太阳M级爆发事件时X射线谱仪的观测数据,建立了定量反演元素丰度的方法,获得了月球正面风暴洋地区Mg、Al、Si、Ca和Fe的含量。通过各区域的元素含量比较,从风暴洋南部沿飞行轨迹向北,Si含量逐渐升高,这种差异可能反映了不同时期玄武岩浆的成分差异。Ⅱ区域的Fe含量高于其他5个区域,但Ca、Mg、Al含量低于其他5个区域,说明II区域相对其他地区受高地物质的混染影响较小。月球风暴洋中6个探测区域的元素平均含量分别是Mg 7.3%、Al 8.4%、Si 15.8%、Ca 6.0%、Fe 18.6%。最后,分析了"嫦娥二号"XRS数据反演月表元素含量可能存在的误差。     

月球上的"水"

在地球科学的各个领域中,在行星演化学和太空探索中,水都是不可缺少的元素。长久以来,我们一直认为月球是干燥的。然而最新的研究成果推翻了这个观点。近期的遥感探测和撞月实验表明,月球表面不仅含有结构水(OH和H₂O), 而且还有固态冰的存在。对月球火山玻璃和玄武岩的磷灰石重新分析也发现了这些玻璃中的OH,揭示了月球内部有水的存在。这个发现,意味着我们可能需要重新审视现有的月球火山活动和演化的模式。月表水和内部水的存在,还为未来以月球为跳板进行太空探索,提供了重要的资源。这里,我们对月表水和内部水的研究作一总结,并就这些发现的意义展开讨论。