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我國嫦娥七號(CE-7)探測任務候選著陸區臨近月球南極的沙克爾頓撞擊坑，CE-7重要科學任務之一是開展月球南極水冰的高精度遙感和就位探測。水冰（熱）穩定性反映的是在長期、地質時間尺度上水冰升華損失的難易程度。評價水冰的穩定性對于了解水冰在月球極區的分布特征意義重大。尤其對于CE-7的南極水冰就位探測任務，水冰穩定性的研究可以指導探測，有助于確定更有可能保存水冰的區域。
近日，中國科學院國家空間中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣全國重點實驗室科研團隊在關于月球南極沙克爾頓區域水冰穩定性研究方面取得新進展。研究通過考慮低溫條件下的月壤熱性質，構建了月球極區水冰熱穩定性模型，并應用于南極沙克爾頓區域（圖1），開展了高空間分辨率的水冰熱穩定性模擬，研究了當地的表面輻射、月壤溫度、水冰穩定區域的分布特征，并討論了模擬結果對于CE-7南極水冰就位探測的意義。
圖1 研究區域：（a）黃色框線區域為研究區域，包括沙克爾頓撞擊坑及其周圍區域；（b）研究區域的數字高程模型（DEM）；（c）圖b中A-A’的高程剖面；（d）坡度分布。星號標記了月球南極。
模擬的研究區域光照和熱輻射的分布見圖2a和2b。沙克爾頓撞擊坑內部的大部分區域為永久陰影區（PSRs），但是熱輻射的分布不均勻，而坑外遍布不同大小的PSRs和弱光照區域。在沙克爾頓撞擊坑內，年平均表面溫度的數值大小分布不均；坑底較平坦區域的平均溫度更低（圖2c）。此外，我們將年平均表面溫度的模擬結果與Diviner觀測結果進行了對比，發現相比于Diviner結果（圖2d），我們模擬的坑內年平均溫度要更低。
圖2 研究區域的光照與表面溫度：（a）直接太陽輻射的年最大值，實線為PSRs；（b）熱輻射的年最大值，未著色區域為熱輻射最大值小于2.5 W/m2的區域；（c）模擬的年平均表面溫度，沙克爾頓撞擊坑內部的空間分辨率為~50 m/px；（d）Diviner觀測溫度的年平均值，空間分辨率為~240 m/px。虛線圈出為沙克爾頓撞擊坑的坑緣。
基于模擬的月壤溫度，通過計算水冰年平均升華速率并將其與100 kg/(m2·Gyr)的升華速率界限值相比較，可得到水冰等揮發分的穩定性分布。圖3展示了沙克爾頓撞擊坑及其周圍的水冰和其它揮發分穩定區域（也稱冷阱區域）。我們在坑內不僅識別到了水冰冷阱，也識別到了HCN、SO2和NH3的冷阱。由于它們的升華溫度不斷減小，其冷阱面積也在不斷減小。我們識別的水冰冷阱面積要稍大于前人基于Diviner表面溫度確定的水冰冷阱面積。此外，根據我們的模擬結果，HCN冷阱不僅在壁面的部分區域存在，也可能存在于坑底的大多數平坦區域。
圖3 沙克爾頓撞擊坑及周圍區域水冰和其他揮發分的穩定區域。
圖例標出了各揮發分的升華溫度。
本研究考慮低溫條件下的月壤熱性質，構建了極區水冰熱穩定性模型。模型能夠計算出光照、月壤溫度以及水冰等揮發分的穩定分布區域，可應用于分析月球南極特別是CE-7著陸區水冰熱穩定性，從而確定水冰潛在分布區域，為未來CE-7的水冰探測任務提供重要支撐。
上述研究成果發表在國際期刊The Planetary Science Journa上，論文第一作者為空間中心特別研究助理張杰博士，通訊作者為空間中心劉洋研究員。本研究得到了國家自然科學基金、國家空間科學中心攀登計劃的支持。
論文信息：
Zhang J, Liu Y, Guo D, et al. Thermal Stability of Ice at Shackleton Crater: Implications for Water Ice Detection for the Chang’E-7 Mission [J]. The Planetary Science Journal, 2026, 7:42. https://doi.org/10.3847/PSJ/ae3c86
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