本文原發於(yu) 學術雜誌《科學通報》的“悅讀科學”欄目，由中國科學院國家天文台蘇彥、李春來研究員撰寫(xie) ，介紹人類曆史上對月球背麵進行的第一次雷達就位探測。

月球形成於(yu) 大約45億(yi) 年前，那時候地球也才剛剛形成。從(cong) 那時起，月球灰暗而荒涼的表麵就不斷遭受隕石和小天體(ti) 的撞擊，造就了現在這樣一個(ge) 布滿碎石和撞擊坑的月球表麵。然而，在月球地表之下，卻隱藏著最吸引人類探索的那些秘密。對月球內(nei) 部地層結構，以及撞擊形成的隕石坑和濺射物進行探測，可以了解月球撞擊過程如何改造月球表麵和火山活動等不為(wei) 人知的曆史。

早在1972年，阿波羅17號搭載的雷達探測儀(yi) 試驗首次以非常低的分辨率對月球局部區域進行了探測[1]。2007年，日本Kaguya上搭載的5 MHz雷達探測儀(yi) 對全月球進行了探測，獲得了月球正麵多個(ge) 月海局部區域1 km以上的玄武岩厚度，次表層分辨率為(wei) 百米量級[2]。受探測深度、分辨率和觀測範圍等因素的限製，這些探測器沒有獲得月球背麵次表層分層的精細結構特征，缺乏嫦娥三號和嫦娥四號具備的雷達探測能力。

2013年12月，嫦娥三號著陸在雨海北部紫薇撞擊坑的濺射毯上，首次搭載了雙通道探地雷達，其高頻觀測數據揭示了月球正麵紫薇撞擊坑濺射毯深度10 m以上的結構[3~5]。

2019年1月3日，嫦娥四號探測器在月球背麵南極–艾特肯盆地內(nei) 的馮(feng) •卡門撞擊坑底部成功著陸(圖1)。玉兔二號月球車搭載的測月雷達是人類曆史上第一次對月球背麵進行的雷達就位探測。2020年2月27日，我們(men) 在Science Advances發表研究論文，首次揭示了沿著玉兔二號月球車行走的106 m的路徑，月球背麵著陸區地下40 m深度內(nei) 的分層結構[6]。

嫦娥四號著陸區(a)和玉兔二號月球車

第一和第二月晝行進路線圖(b)[6]

南極–艾特肯盆地形成於(yu) 前酒海紀，是月球表麵最古老、最大的撞擊盆地。對南極–艾肯特盆地的研究，可以幫助我們(men) 理解大型撞擊事件是如何塑造地球及其他係內(nei) 行星的。馮(feng) •卡門撞擊坑(中心位置44.45°S，176.3°E; 直徑~186.3 km)位於(yu) SPA盆地的西北部，整體(ti) 地形相對平坦，坑底被玄武岩所填充。根據撞擊坑大小–頻率分布的統計結果，底部玄武岩年齡大約為(wei) 36億(yi) 年。玄武岩表麵相當一部分區域又被周邊大型撞擊坑的濺射物所覆蓋，並廣泛分布著成人字鏈狀的二次撞擊坑。

測月雷達(由中國科學院電子學研究所研製)是一種基於(yu) 月球車巡視探測平台的高分辨率月球表麵穿透成像雷達，工作在60和500 MHz兩(liang) 個(ge) 頻段，空間分辨率分別為(wei) 米級和優(you) 於(yu) 0.3 m[7]。測月雷達於(yu) 2019年1月4日9點29分開始工作，在前兩(liang) 個(ge) 月晝中，共工作6小時28分鍾53秒。

玉兔二號月球車行進從(cong) X點到A點，為(wei) 測月雷達參數在軌測試階段，從(cong) A點到LE210點為(wei) 探測階段，不同的參數設置導致雷達圖像的不連續性，因此研究團隊使用從(cong) A點到LE210點的探測數據，通過預處理[8]、數據拚接、背景去除、帶通濾波、幅度補償(chang) 和偏移處理等一係列處理，最終獲得雷達圖像(圖2)。

測月雷達高頻通道(500 MHz)雷達圖像[6]。(a) 經過背景去除、增益調整和偏移處理後的雷達圖像; (b) 基於(yu) 層析反演方法重建的雷達圖像; (c) 地層序列示意圖

基於(yu) 雷達數據，研究團隊計算分析了月球淺層物質的特性參數，包括電磁波在月表下物質中的傳(chuan) 播速度、介電常數、密度、損耗角正切和鈦鐵含量等。並利用層析重建算法，反演月表下所埋尺寸大於(yu) 半波長目標物的大小和分布。

嫦娥四號和嫦娥三號搭載的測月雷達指標和工作狀態完全相同。對比兩(liang) 次任務，研究團隊發現，玉兔二號月球車攜帶的探月雷達能夠探測到月表以下40 m深的地層，其探測深度(雙向傳(chuan) 輸時間)是著陸到月球正麵的嫦娥三號的三倍以上。結果顯示，嫦娥四號著陸區地下物質對信號衰減更小，鈦鐵含量更低。

月球的兩(liang) 種大規模活動分別是隕石撞擊和火山活動，火山活動形成的月海玄武岩覆蓋了馮(feng) •卡門撞擊坑的底部，隨後附近多次隕石撞擊事件帶來的濺射物逐漸在這裏沉積。根據獲得的物性參數和雷達圖像，在深度40 m的濺射物內(nei) 部呈現出清晰的三層(圖3)。其中：

最表層為(wei) 地下0~12 m，主要由細粒月壤組成，其中內(nei) 嵌有少量碎石。此月壤層形成於(yu) 多個(ge) 撞擊坑互疊的濺射物之上，這些濺射物可能來自周邊的芬森和馮(feng) •卡門L撞擊坑等。

第二層為(wei) 地下12~24 m，這一層是雷達圖像上回波強度最大的區域，表明內(nei) 部存在大量的粗粒礫石，形成了碎石層和碎石堆，可能是撞擊產(chan) 生的濺射物沉積後又發生了二次撞擊。濺射物沉積不僅(jin) 僅(jin) 是地毯式的鋪散，也伴隨著物質之間的剪切、混合、挖掘和二次坑結構擾動等複雜的地質過程。

第三層一直延伸到地下40 m深，雷達回波明暗交替變化，表明其粒度呈現粗粒和細粒的交疊，是不同時期、更古老的濺射物的沉積和風化產(chan) 物。深度超過40 m時，高頻通道雷達信號微弱，已無法推斷其物質特性。結合月球的區域地質曆史，在嫦娥四號著陸點附近區域，深度超過40 m的地方，分布著完整的月海玄武岩。

 嫦娥四號著陸區地下淺層結構

該如何解釋濺射物中這麽(me) 多的碎石呢? 據《科學美國人》報道，美國NASA戈達德航天中心的月球科學家丹尼爾•莫裏亞(ya) 蒂(Daniel Moriarty，並未參與(yu) 到新論文中)指出，一種解釋是，在撞擊過程中，底層的月海玄武岩很可能與(yu) 其他撞擊形成的碎屑混在了一起，因此地層中的一些巨礫岩石可能就是這些玄武岩分解後形成的，而不是由附近的撞擊帶來的。另一種可能是，月幔物質在南極–艾肯特盆地形成的那次撞擊中暴露出來，隨後又與(yu) 其他碎屑混合在一起。

這項研究工作通過嫦娥四號測月雷達的直接就位測量，獲得了月球背麵地下淺層的第一張雷達圖像、月表下物質的特性參數，以及濺射物內(nei) 部地層序列，是人類首次揭開月球背麵地下結構的神秘麵紗。目前，作為(wei) 曆史上在月球背麵工作的唯一的巡視器，玉兔二號月球車仍保持良好的狀態在行進，探測更多此前從(cong) 未涉足的月球區域。我們(men) 希望它能夠觀測到更大範圍內(nei) 地下層位以及地層中撞擊碎屑尺寸的變化，從(cong) 而揭露出月球古老的撞擊曆史中的更多細節，極大地增進我們(men) 對月球隕石撞擊和火山活動曆史的了解，並為(wei) 月球背麵的地質演化過程研究提供新的啟示。

參考文獻

1. Peeples W J, Sill W R, May T W, et al. Orbital radar evidence for lunar subsurface layering in Maria Serenitatis and Crisium. J Geophys Res, 1978, 83: 3459–3468 

2. Ono T, Kumamoto A, Nakagawa H, et al. Lunar radar sounder observations of subsurface layers under the nearside Maria of the Moon. Science, 2009, 323: 909–912 

3. Fa W Z, Zhu M H, Liu T T, et al. Regolith stratigraphy at the Chang’E-3 landing  site as seen by lunar penetrating radar. Geophys Res Lett, 2015, 42: 10179–10187

4. Zhang JH, Yang W, Hu S, et al. Volcanic history of the Imbrium basin: A close-up view from the lunar rover Yutu. ProcNatlAcad SciUSA,2015, 112: 5342–5347 

5. Xiao L, Zhu P M, Fang G Y, et al. A young multilayered terrane of the northern Mare Imbrium revealed by Chang’E-3 mission. Science, 2015, 347: 1226–1229 

6. Li C L, Su Y, Pettinelli E, et al. The Moon’s farside shallow subsurface structure unveiled by Chang’E-4 Lunar Penetrating Radar. Sci Adv, 2020, 6: eaay6898

7. Fang G Y, Zhou B, Ji Y C, et al. Lunar penetrating radar onboard the Chang’e-3 mission. Res Astron Astrophys, 2014, 14: 1607–1622 

8. Su Y, Fang G Y, Feng J Q, et al. Data processing and initial results of Chang’E-3 lunar penetrating radar. Res Astron Astrophys, 2014, 14: 1623–1632

關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【科學防控】，學習(xi) 疫情相關(guan) 科普星空体育官网入口网站