月球表面存在着大量大大小小的撞擊坑，太陽在月表的照射方向幾乎垂直于月球的自轉軸。受這兩個因素的影響，月球極區一些撞擊坑底部無法接收到太陽光的直接照射，形成永久陰影區，其物理溫度非常低（<100 K）。進入永久陰影區的水冰等揮發份無法逃逸到月表以外的空間，可長期穩定存在，因此永久陰影區也稱為 “冷阱” (圖1)。在漫長的月球演化曆史中，由彗星或含水小天體撞擊月球所攜帶的水，會以水冰的形式在“冷阱”中長期保存下來。水可以分解為氧氣和氫氣，前者可以為宇航員提供生命保障，後者可以為月球基地提供動力。因此，月球兩極“冷阱”内潛在水冰被認為是整個太陽系最寶貴的資源。此外，月球兩極水冰的賦存形式與含量，對理解月球演化曆史、太陽風與月表作用、内太陽系物質遷移等有着非常重要的科學意義。

圖1. 月球兩極永久陰影區分布：（左）北極 （右）南極

自2009年以來，多個空間探測計劃所攜帶的紫外、近紅外成像光譜儀都獨立發現月表由太陽風作用産生的水或羟基，對月球樣品（Apollo樣品、“嫦娥”5号樣品）的實驗室測量也發現早期火山脫氣作用所産生的水。但是，這些水的含量非常低，隻有萬分之幾，不足以作為支撐月球基地建設的主要資源。因此，對月球極區潛在水冰的探測，仍然具有重要的資源利用價值。雷達可發射電磁波，能對永久陰影區進行成像觀測，是探測水冰的一種有效手段。1994年美國Clementine計劃對月球南極Shackleton撞擊坑進行了雙站雷達試驗，發現雷達回波存在異常。但對雷達回波異常是否由大量水冰所引起一直存在着争議，是月球科學領域一個持續二十多年的難題。

為解決上述争議，印度 2008 年發射的“月船”1 号、 美國 2009 年發射的月球偵察軌道器(LRO)上分别搭載了微型合成孔徑雷達（Mini-RF），用于探測月球極區是否存在大量水冰。Mini-RF科學團隊發現月球極區存在一類異常撞擊坑，其邊緣以内圓極化比（CPR）遠高于邊緣以外，這與普通撞擊坑的回波分布不一緻，這類撞擊坑被稱為雷達異常撞擊坑（圖2）。絕大部分雷達異常撞擊坑都位于永久陰影區，其數量随着緯度增加而變多。這些被Mini-RF科學團隊解釋為月球極區存在大量水冰的證據，初步估算月球北極存在約6億噸水冰。由于雷達波與月表相互作用非常複雜，引起雷達回波異常的因素有很多，Mini-RF團隊并沒有從機理上解釋雷達回波異常的原因。

圖2. （左）月球北極雷達異常撞擊坑分布，（右）異常撞擊坑CPR分布（Spudis et al., 2010）

地空學院法文哲研究團隊主要從事行星遙感研究，在過去十多年中，針對雷達對月球極區水冰探測問題進行了系統性研究，終于解開了神秘的月球雷達回波異常之謎。由于雷達波與月表作用機理非常複雜，要厘定引起月球極區雷達回波異常的關鍵因素，需要建立基于物理機理的月表雷達散射模型，系統性研究月表特征參數分布，逐一量化每個參數對回波異常的貢獻。為此，該團隊在月球雷達散射建模、月表參數定量研究、雷達回波異常解譯方面進行了深入耕耘。

基于複雜介質電磁散射的矢量輻射傳輸理論，該團隊建立了一個月壤層全極化雷達散射模型，可定量給出雷達回波強度與極化比随月表特征參數之間的變化關系（Fa et al., JGR-Planets, 2011）。該團隊進一步分析了Apollo月壤樣品介電常數測量結果，發現月壤介電損耗僅與钛鐵礦含量有關，基于該關系與月表化學成分，首次繪制了全月表介電常數分布圖（Fa and Wieczorek, Icarus, 2012）。這些為定量研究雷達回波異常，厘定回波異常關鍵因素奠定了基礎。由雷達散射模型分析了月表坡度、粗糙度、石塊豐度、介電常數等特征參數對CPR的影響，發現雷達CPR與石塊豐度之間存在着明顯的相關性。模型與觀測比較結果表明，雷達異常撞擊坑内部CPR過高是由月表與月壤層内石塊二次散射所引起的，并非Mini-RF團隊所宣稱的大量水冰（Fa and Cai, JGR-Planets, 2013；圖3）。

圖3. (a) 月表雷達散射模型, (b) CPR随石塊豐度的變化 (Fa and Cai, 2013)

在後續研究中，該團隊由超級計算機處理了所有Mini-RF原始數據，首次得到了全月表 Mini-RF雷達影像圖。系統分析了月表所有直徑大于2.5 km的撞擊坑，結果表明月球極區與非極區雷達異常坑CPR統計特征不存在明顯差異，極區雷達異常坑的數量并沒有偏多（Fa and Eke，JGR-Planets ，2018）。與紅外遙感數據的對比發現，雷達異常坑是撞擊坑演化的一個中間階段：在撞擊坑形成初期坑内外坡度差異大，受滑坡等地質作用影響，撞擊坑内外石塊會非均勻退化，使得撞擊坑内石塊多、坑外石塊少，從而産生了雷達異常撞擊坑。這樣從撞擊坑形成與演化的機理角度，圓滿地解釋了雷達異常撞擊坑的地質成因，也因此否定了Mini-RF團隊關于月球極區存在大量水冰的結論。随後美國探月衛星LRO 窄角相機對永久陰影坑進行了長曝光成像觀測，發現這些撞擊坑表面确實存在大量石塊（圖4）, 證實了法文哲研究團隊的結論。

圖4. LRO窄角相機對永久陰影區長曝光觀測結果（Koeber et al., 2014）

雖然沒有發現大量水冰，但對雷達異常撞擊坑的研究衍生出了許多新的科學問題，譬如月表撞擊坑退化的速率，月壤是如何形成與演化的。為此，該團隊近期緻力于月表形貌演化研究，建立了月表地形時空演化三維模型，數值模拟了月表地形與月壤的形成與演化過程（Yang et al., GRL, 2021）。由不同分辨率高程數據，首次計算了毫米至米級尺度月表粗糙度，發現粗糙度無法引起雷達回波異常（Cai and Fa, JGR-Planets, 2020; Guo et al., GRL, 2022），進一步證實了之前的研究結果。

在我國後續“嫦娥”7号探月計劃中，将搭載高分辨率成像雷達，對月球表面（特别是兩極）進行高分辨率測繪成像。法文哲團隊研發的月表雷達散射模型與數據分析方法等，都可以應用到“嫦娥”7号月球雷達探測中。

本團隊相關論文

1. Wenzhe Fa, Mark A. Wieczorek, Essam Heggy. (2011). Modeling polarimetric radar scattering from the lunar surface: Study on the effect of physical properties of the regolith layer. Journal of Geophysical Research: Planets, 116(E3), E03005.

2. Wenzhe Fa, Mark A. Wieczorek. (2012). Regolith thickness over the lunar nearside: Results from Earth-based 70-cm Arecibo radar observations. Icarus, 218(2), 771–787.

3. Wenzhe Fa, Yuzhen Cai. (2013). Circular polarization ratio characteristics of impact craters from Mini-RF observations and implications for ice detection at the polar regions of the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 118(8), 1582–1608.

4. Wenzhe Fa, Vincent R. Eke. (2018). Unravelling the mystery of lunar anomalous craters using radar and infrared observations. Journal of Geophysical Research: Planets, 123(8), 2119–2137.

5. Yuzhen Cai, Wenzhe Fa. (2020). Meter-scale topographic roughness of the Moon: The effect of small impact craters. Journal of Geophysical Research: Planets, 125(8), 2020JE006429.

6. Dijun Guo, Wenzhe Fa, Bo Wu, Yuan Li, Yang Liu. (2021). Millimeter- to decimeter-scale surface roughness of the Moon at the Chang’E-4 exploration region. Geophysical Research Letters, 48(19), e2021GL094931.

7. Xi Yang, Wenzhe Fa, Jun Du, Minggang Xie, Tiantian Liu. (2021). Effect of topographic degradation on small lunar craters: Implications for regolith thickness estimation. Geophysical Research Letters, 48(22), e2021GL095537.