通过Chandrayaan-2双频合成孔径雷达揭示双重阴影陨坑中的地下冰

隐藏的月球冰为何重要

月球上的水不仅是科学上的好奇心，而可能成为未来宇航员的生命线。埋在月壤中的冰可以被转化为饮用水、可呼吸的氧气，甚至推进火箭的燃料。本研究探讨了月球南极一些最寒冷、最黑暗的区域——微小的“二重阴影”陨坑，旨在弄清它们是否在表层下隐藏着可以长期保存的冰储库。

月球最寒冷的角落

月球自转轴倾角极小，因此在极区，阳光沿地平线掠过而不是高挂天际。靠近极点的深陨坑底部从未见过太阳光，成为比液氮还冷的永久阴影区。在这些黑暗的陨坑中，有更小的凹地，其高起的坑缘不仅遮挡直接阳光，还阻隔来自邻近明亮地形的微弱散射光和热量。这类特殊的“二重阴影”囊状区域的温度可能低至约25开尔文，如果有水抵达那里，足以在数十亿年内保存为冰。

用雷达穿透黑暗观测地下

因为这些陨坑漆黑一片，普通相机难以揭示其坑底的情况。相反，Chandrayaan-2飞船使用一台双频雷达仪，发射无线电波并记录回波。通过测量波在返回时偏振——即波的取向——如何改变，科学家可以推断回波是来自粗糙的岩石表面，还是来自在体积内散射波的材料（例如冰）。研究中使用两项关键量：圆极化比（返回信号中与原始波旋向一致的部分比例）和极化度（返回信号保持有序程度）。埋在土壤中的冰往往产生较高的圆极化比，但极化度非常低且无序，因为波会在冰层内部多次反弹。

在九个阴影陨坑中搜寻冰

研究团队考察了位于三个更大南极陨坑——Faustini、Haworth和Shoemaker内部的九个二重阴影陨坑。他们将雷达数据与详细的高程图和能在阴影中观测微弱照明地形的ShadowCam相机的清晰影像结合起来分析。许多陨坑的环缘和坑壁布满巨石，但其黑暗的坑底通常较为平整，从而减少了一种常见的会混淆雷达信号的来源。这些陨坑的直径从不足一公里到近三公里不等，坑壁陡峭程度和环缘形状各异，其中Faustini内名为F2的小陨坑具有特别醒目的“叶状”（lobate）环缘。

埋藏冰的新型雷达指纹

在这九个陨坑中有四个——F2、F3、H3和S1——表现突出，它们既有高于1的增大的圆极化比，又有介于0.1到0.13之间的极低极化度。早期研究曾建议富含冰的物质应当呈现低于约0.35的极化度；本研究发现，在这些超寒冷陨坑中该数值更低，从而将埋藏冰的雷达指纹细化为“圆极化比大于1且极化度低于0.13”。周围的陨坑壁、抛射物和一个较旧的邻近陨坑Tooley显示出要么较低的比值、要么较高的极化度、要么两者兼具，这与粗糙岩石而非冰相符。结果表明，当出现这种细化后的雷达特征时，回波主要由掺杂在表层几米月壤中的冰引起的体积散射所主导。

来自一处异常陨坑环缘的线索

陨坑F2提供了一个特别有说服力的例子。它在所有九个陨坑中表现出最强、范围最广的雷达信号，并具有独特的高起叶状环缘包绕坑沿。高程测量显示，F2形成时位于Faustini周围地面之下数百米，深处于永久阴影区中。作者认为，形成F2的撞击很可能打穿了载冰层，溅射出混有冰的泥状物质并冻结成如今我们所见的奇特环缘。其他具有较弱雷达冰迹象的陨坑缺乏如此戏剧性的环缘，这可能是因为它们的撞击未触及冰层，或是冰后来才被输送到该处并在寒冷土壤中悄然累积。

对未来月球探险者的意义

总体而言，研究得出结论：月球南极的地下冰是斑驳分布而非均匀覆盖，即便在这些超寒陷阱内亦是如此。九个二重阴影陨坑中只有四个显示出浅层地下有强烈或部分的埋藏冰迹象，而F2似乎是最富集的目标。与此同时，该研究提供了更清晰的雷达检测准则，以便将真正的冰储层与仅仅是粗糙地形区分开来。对于未来希望开发月球冻资源的任务，这些二重阴影陨坑——尤其是Faustini内的F2——看起来是有希望进行钻探、取样并可能在将来开采水以支持地外持续人类存在的地点。

引用: Sinha, R.K., Bharti, R.R., Acharyya, K. et al. Subsurface ice in doubly shadowed craters as revealed by Chandrayaan-2 dual frequency synthetic aperture radar. npj Space Explor. 2, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44453-026-00038-9

关键词: 月球冰, 月球南极, 永久阴影陨坑, 雷达绘图, 空间资源