月球极区着陆环境特性对比及探测建议

张 弘，盛丽艳，马继楠，杜 宇，吴 克，张 熇

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

0 引言

月球一直是世界各航天大国和机构开展深空探测的首选目标。过去，对月球的着陆探测活动主要集中在月球中低纬地区，但近年来，月球两极区域因其特殊的地理位置与科学探测价值，特别是被科学界普遍认为存在水冰的永久阴影区，已成为未来月球探测的热点区域[1-2]。对极区开展着陆就位探测是最为有效、直观的探测手段，而着陆区选址的具体位置受到极区各类环境的影响。现有的探测数据表明，月球极区环境不同于已经成功着陆过的月球中低纬度区域，主要体现在：极区地形地貌更为复杂；长期处于低温环境下；太阳高度角低，极点附近存在极昼极夜现象，因而会出现持续光照区和永久阴影区。且月球南北两极之间也存在较大的环境差异，这将不同程度影响未来极区着陆探测任务的规划。

目前，人类对月球南北极环境的认识主要来自于已经开展的月球遥感探测任务。通过相关任务的实施，已建立起精度较高的月球极区光学图像和高程模型等，为月球极区着陆探测任务的着陆区选择等积累了大量的基础数据[3-9]。本文基于中国“嫦娥一/二号”（Chang’e-1/2）、美国“月球勘探轨道飞行器”（LRO）和日本“月女神号”（SELENE）的探测数据，对月球极区和中低纬地区的环境差异，以及月球南极和北极的地形、坡度、光照、撞击坑分布等着陆探测相关环境进行分析和对比，并综合分析结果给出月球极区着陆探测的工程建议。

1 月球极区探测历程

截至目前，对月球极区开展过的遥感探测任务共8次，见表1。开展的探测主要围绕极区光学成像、数字高程、辐射温度和水冰等方面。基于这些任务的现有探测数据进行建模反演，可计算出极区的地形地貌特征、光照条件、温度环境、月壤特性等[3-9]。这些关键的环境数据对未来的月球极区着陆探测任务规划至关重要，本文的分析也是基于这些遥感探测数据的结果。

表1 对月球极区已开展的遥感探测任务Table1 The orbiting missions that probed the lunar poles

除遥感探测任务外，与LRO同时发射的“月球坑观测和遥感卫星”（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite,LCROSS）还对月球南极附近的Cabeus坑进行了撞击探测，以确定月球表面永久阴影区内是否存在水冰[10]。

2 月球极区环境特性

2.1 地形地貌

本节利用已有的月球遥感任务获取的地形数据，针对月球南北纬60°之间的中低纬地区、南北纬75°以上极地区域、南北纬85°以上极点附近的热门探测区域进行地形地貌的分析和比对。

图1所示为月球南北纬60°之间的中低纬地区高程图。从图中可以看出，中低纬地区的地形多为大面积月海和高山，且分布相对独立，因此对于大部分的区域而言，小范围内的高程变化较小。图1中月球背面靠近南极高程较低的区域为艾特肯盆地，其与附近高山的连接处地形起伏略大，但在盆地内部，仍以大面积的平坦低地为主。整个月球中低纬地区的高程差为19 km 左右。

图1 月球中低纬地区高程示意（南北纬60°之间）Fig.1 The elevation of lunar low latitude area (latitude＜60°)

图1中标注了“嫦娥三号”（Chang’e-3）和“阿波罗11号”（Apollo-11）这2次典型任务的着陆位置，分别位于月球北纬44°和赤道0°附近，均处于地形起伏较小的平坦地区。图2所示为这2个着陆位置附近5°经纬区域内的高程示意，经分析，这2个区域内的高程差分别为4 km 和3 km 左右。

图2 Chang’e-3、Apollo-11着陆位置附近高程示意Fig.2 The elevation around the landing site of Chang’e-3 and Apollo-11

图3给出了月球南北纬75°以上极地区域的高程情况。月球极地区域相比中低纬地区，地形更为复杂，分布着较多的撞击坑，且撞击坑与高地距离较近。整体来看，北极区域的高程起伏较小，存在大面积月海；南极区域则主要以艾特肯盆地和极区正面的高地组成，起伏较大。对南北纬75°以上区域分析可知，北极整体高程差在8 km 左右、南极在15 km左右。可以看出，南极区域的面积虽远小于中低纬地区，但高程差已比较接近。南极点附近同时存在撞击坑和高地的地形，北极点附近则相对平坦。

图3 月球南北极区域高程情况（纬度75°以上区域）Fig.3 The elevation of lunar poles (latitude＞75°)

除极地区域整体的高程差别外，聚焦至目标着陆区域附近，区域内的坡度也会极大影响着陆探测的可行性和可靠性。本文以Chang’e-3、Apollo-11等中低纬着陆位置附近以及月球南北极85°以上的热点目标探测区域为例，进行坡度分析和对比。图4所示为Chang’e-3和Apollo-11 着陆位置附近5°经纬区域内的坡度分布，平均坡度分别为3.7°和4.4°，且主要集中在10°以下。

月球南北纬85°以上极点附近区域的坡度情况如图5所示。可以看出：北极点附近整体坡度更小，小坡度（5°以下）的分布范围相比南极更为广泛；南极点附近的撞击坑坑缘、高山连接处等位置存在更多的较大坡度的分布。经分析，月球北极点附近的平均坡度约为9.0°，南极点附近约为9.9°，均远大于中低纬典型着陆区的平均坡度。

图4 Chang’e-3、Apollo-11着陆位置附近坡度分布Fig.4 The slope around the landing site of Chang’e-3 and Apollo-11

图5 月球极点附近坡度分布（纬度85°以上区域）Fig.5 The slope of lunar poles (latitude＞85°)

从高程和坡度的分析结果可知，相比于中低纬地区，极区的地形地貌更为复杂，呈现出高地、撞击坑紧密分布，坡度大，局部高程变化大等特点。南、北极之间的对比结果显示，南极整体的地形地貌情况比北极更恶劣，地形起伏和坡度均明显高于北极的整体情况，尤其在关注度较高的极点附近，南极点附近分布了多个撞击坑，坡度变化较大，北极则相对平坦，类似于中低纬地区月海的地形情况。

2.2 温度环境

着陆区的温度环境直接取决于月表的光照情况。相比于中低纬地区，极区的光照具有太阳高度角低、受地形地貌影响大的特点[11-12]。如图6所示，受光照影响，中低纬地区的月昼月夜温差较大，月昼期间高温可达近400 K，月夜温度快速下降，可低至100 K 左右。而月球极区的光照条件存在为期半年的极昼极夜现象，且受地形地貌影响较大，特别是永久阴影区（如撞击坑底部），由于阳光永远无法照射到此，温度极低，在38 K 左右。而在海拔比较高的区域，如撞击坑坑缘、山顶、山脊等地区，往往能得到长时间连续的光照，表面温度也相对较高，极昼期间约为128～180 K。

图6 月球表面温度随时间和纬度变化的数值模拟结果[12]Fig.6 Model calculations of lunar surface temperature variationsasa function of local timeand latitude[12]

2.3 永久阴影区分布

月球极区探测的一个重要目标就是水冰探测。关于月球存在水冰的设想由美国的Watson 等在1961年提出[13]。考虑到月球极区接近于0°的太阳高度角，阳光永远不会直接照射到两极附近深坑的底部，因此这些区域被称为永久阴影区。永久阴影区常年照射不到阳光，表层和次表层温度极低。原始月球脱气作用产生的水和彗星撞击月表带来的水在低温下很难逃逸到太空中，极有可能以冰的形式长期保存下来[14-18]。因此，月球南北极的永久阴影区分布情况直接影响月球极区探测着陆点选择的优先级。

根据LRO和SELENE数据得到月球南北极的永久阴影区分布情况[19]如图7所示，图中红色标注的是最大的150个永久阴影区，蓝色标注的则是其他较小的永久阴影区。表2给出了月球两极区域永久阴影区的尺寸及其纬度分布信息。LRO的探测结果表明，月球北极永久阴影区的总面积为12 866 km2，南极为16 055 km2，分别约占北极和南极总面积的4.7%和5.8%[19]。由图7和表2可以看出，月球北极区域存在数量更多的永久阴影区，但南极区域的永久阴影区分布的集中度更高，且总体看单个永久阴影区的面积更大。因此，按照目前的研究观点，月球南极区域更有利于水冰的贮存，具有更大的产生突破性探测成果的可能性。

图7 月球南北极永久阴影区分布[19]Fig.7 Permanently shadowed regions(PSRs)at lunar poles[19]

表2 月球两极永久阴影区的尺寸和纬度分布信息[19]Table 2 Size distribution of PSRs with their center latitude,for both poles[19]

2.4 极区光照率

月球两极除了存在永久阴影区外，还因其独特的地理位置特性和地形的影响，存在着一些长期光照区，有利于探测器实现月面长期能源供给。月球北极指向与黄道面北极指向存在1.54°的夹角，因此在不考虑高程的前提下，月球极点的太阳高度角约在±1.54°之间变化，方位角在0°～360°变化，以1个恒星月为周期[20]。极区的复杂地形对太阳光照条件影响十分显著，即便是很小的海拔高度提升都有可能明显改变该地点的光照条件。这导致月球极区存在永久阴影区（如撞击坑底部），而在海拔比较高的区域，如撞击坑的坑缘、山顶、山脊等地区，往往能得到长时间连续光照，个别地区的全年光照率可达80%以上。

图8为南北极点附近区域全年光照率对比[1]。其中，黑色区域表示该地处于永久阴影中，白色区域有几乎持续的光照。可以看出，南极可以获得长期光照的区域范围要明显大于北极，且更接近极点。初步分析是由于南极附近地区存在高地和撞击坑坑缘的地形，而北极附近则是类似月海的地貌。

图8 南北极点附近全年光照率对比[1]Fig.8 Annual illumination map at the both polar regions[1]

3 小结及建议

综上所述，月球极区的地形地貌和温度等环境与中低纬地区存在明显差异，而月球南极和北极作为未来月球极区着陆探测的目标区域，也有着不同的环境特点，其主要特征及对着陆探测的影响体现为：

1）相比于中低纬地区，月球极区的地形地貌更为复杂，撞击坑和高山紧密交替分布；而对比两极，月球南极的整体地形起伏和坡度明显比北极更大，对探测器着陆构成更大的工程挑战。

2）月球北极区域存在数量更多的永久阴影区，但是月球南极的永久阴影区分布集中度更高，且总体上单个永久阴影区的面积更大。而永久阴影坑是赋存水冰的最佳位置，因此南极更易获得相关探测成果。

3）月球南极的长期光照区范围要明显大于北极，可为探测器的能源需求提供更好的保障。

4）南极的长期光照区与永久阴影区的距离更近，有利于兼顾任务的科学价值和工程需求。

除此之外，月球南极位于月球最古老的撞击坑——艾特肯盆地范围内。巨大的撞击可能挖掘出下月壳甚至月幔的物质，因此撞击坑被认为是探索月球深部物质组成的重要窗口，极具科学探测价值。且截至目前唯一撞击过极区月面的LCROSS任务已经获取了一定关于南极附近Cabeus撞击坑是否存在水冰的数据，继续开展南极探测，从探测任务的连续性和科学成果的相互印证角度而言，也具有一定优势。

可以看出，尽管月球南极的地形地貌等条件相对复杂，在一定程度上会增加探测器的着陆难度，但也存在更好的光照条件和更理想的目标探测区域。因此，综合环境特性和其他影响因素，相比于中低纬地区和北极，月球南极整体上更适合开展着陆探测，建议以南极作为下一步月球无人探测的目标区域。

4 结束语

月球极区作为未来无人着陆探测的热点区域，具有和中低纬地区差异较大的地形、温度、光照等环境特征，将极大影响着陆任务的规划。本文通过对月球两极和中低纬地区的着陆环境分析，对各目标着陆区域的特点进行了综合对比。结果表明，月球南极因其独特的地形地貌、光照条件、永久阴影区分布情况，整体上具备着优于北极和中低纬地区的着陆探测环境，从探测目的和维持长期探测的需求角度出发，更适合开展极区着陆探测任务。