我国计划于2026年前后发射嫦娥七号(CE-7)月球探测器，目标直指月球南极-艾特肯盆地，探测月球南极的水冰资源，其存在与否对未来月球基地的选址与建设至关重要。CE-7探测任务的候选着陆区临近月球南极的沙克尔顿撞击坑，而其重要科学任务之一是开展月球南极水冰的高精度遥感和就位探测。
水冰（热）稳定性反映的是在长期、地质时间尺度上水冰升华损失的难易程度。评价水冰的稳定性对于了解水冰在月球极区的分布特征意义重大。
尤其对于CE-7的南极水冰就位探测任务，水冰稳定性的研究可以指导探测，有助于确定更有可能保存水冰的区域。
近日，中国科学院国家空间中心（以下简称“空间中心”）太阳活动与空间天气全国重点实验室科研团队在关于月球南极沙克尔顿区域水冰稳定性研究方面取得新进展。
研究通过考虑低温条件下的月壤热性质，构建了月球极区水冰热稳定性模型，并应用于南极沙克尔顿区域（图1），开展了高空间分辨率的水冰热稳定性模拟，研究了当地的表面辐射、月壤温度、水冰稳定区域的分布特征，并讨论了模拟结果对于CE-7南极水冰就位探测的意义。
图1 研究区域：（a）黄色框线区域为研究区域，包括沙克尔顿撞击坑及其周围区域；（b）研究区域的数字高程模型（DEM）；（c）图b中A-A’的高程剖面；（d）坡度分布。星号标记了月球南极。
模拟的研究区域光照和热辐射的分布见图2a和2b。
沙克尔顿撞击坑内部的大部分区域为永久阴影区（PSR），但是热辐射的分布不均匀，而坑外遍布不同大小的PSRs和弱光照区域。
在沙克尔顿撞击坑内，年平均表面温度的数值大小分布不均；坑底较平坦区域的平均温度更低（图2c）。
此外，将年平均表面温度的模拟结果与Diviner观测结果进行了对比，发现相比于Diviner结果（图2d），模拟的坑内年平均温度要更低。
图2 研究区域的光照与表面温度：（a）直接太阳辐射的年最大值，实线为PSRs；（b）热辐射的年最大值，未着色区域为热辐射最大值小于2.5 W/m2的区域；（c）模拟的年平均表面温度，沙克尔顿撞击坑内部的空间分辨率为~50 m/px；（d）Diviner观测温度的年平均值，空间分辨率为~240 m/px。虚线圈出为沙克尔顿撞击坑的坑缘。
基于模拟的月壤温度，通过计算水冰年平均升华速率并将其与100 kg/(m2·Gyr)的升华速率界限值相比较，可得到水冰等挥发分的稳定性分布。
图3展示了沙克尔顿撞击坑及其周围的水冰和其它挥发分稳定区域（也称冷阱区域）。
在坑内不仅识别到了水冰冷阱，也识别到了HCN、SO2和NH3的冷阱。由于它们的升华温度不断减小，其冷阱面积也在不断减小。
识别的水冰冷阱面积要稍大于前人基于Diviner表面温度确定的水冰冷阱面积。
此外，根据模拟结果，HCN冷阱不仅在壁面的部分区域存在，也可能存在于坑底的大多数平坦区域。
图3 沙克尔顿撞击坑及周围区域水冰和其他挥发分的稳定区域。图例标出了各挥发分的升华温度。
本研究考虑低温条件下的月壤热性质，构建了极区水冰热稳定性模型。
模型能够计算出光照、月壤温度以及水冰等挥发分的稳定分布区域，可应用于分析月球南极特别是CE-7着陆区水冰热稳定性，从而确定水冰潜在分布区域，为未来CE-7的水冰探测任务提供重要支撑。
上述研究成果发表在国际期刊The Planetary Science Journa上，论文第一作者为空间中心特别研究助理张杰博士，通讯作者为空间中心刘洋研究员。本研究得到了国家自然科学基金、国家空间科学中心攀登计划的支持。