摘要：中国嫦娥四号是首个月球背面表面就位探测的航天器。其上搭载的温度探测器，第一次对月球背面的表层月壤进行了温度就位测量。利用这些珍贵的数据，中国地质大学（武汉）行星科学研究所、澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室和中国空间技术研究院的研究人员利用新研发的数值模型，对嫦娥四号着陆点的表面月壤进行了温度和热物理性质的详细分析，结果显示该地的月壤颗粒平均粒径约为15 μm，热导率中的热传导分量在月表约为1.53×10-3 W/(m·K)，在月壤内1 m深处约为8.48×10-3 W/(m·K)。该研究结果首次利用就位探测数据揭示了月球背面月壤的热物理性质，为全月月表热物理性质的遥感分析提供了新的“地面真值”。
文章发表后，国际知名行星地球物理学家Norbert I. Kömle研究员专门为该文撰写评论（Commentary paper to article “Thermophysical properties of the regolith on the lunar farside revealed by the in-situ temperature probing of Chang’E-4 mission”）。评论认为，该文“首次对在月球背面的嫦娥四号任务的温度测量数据进行了分析，并仔细计算了嫦娥四号着陆点月壤的热导率”。
中国嫦娥四号首次在月球背面就位探测
月球是地球唯一的天然卫星。由于早期的轨道动力学作用，地球和月球发生了潮汐锁定，月球总是只有约一个半球朝向地球。因此，月球背向地球的另外一半，从地球上是无法直接观测的。
2019年1月3日，中国的嫦娥四号探测器成功着陆月表并开展巡视探测。它是人类第一个在月球背面进行就位探测的航天器。嫦娥四号的着陆点在冯·卡门（Von Kármán）撞击坑内，该撞击坑位于太阳系最大的撞击构造——南极-艾特肯盆地内（图1a）。冯·卡门撞击坑的直径约186千米，坑底部被多期次的月海玄武岩充填，最后一期岩浆活动的时间大约为36亿年前。着陆区最后被来自东北部的芬森（Finsen）撞击坑的溅射物所覆盖（图1b）。截至2022年7月5日，嫦娥四号已经开展了44个月昼的科学探测工作，玉兔二号月球车在月球背面共行驶1239.88米。
图1. 嫦娥四号着陆器在月球背面的位置。（a）月球背面可见光拼接图，白色虚线为南极-艾特肯盆地的大致范围。（b）冯·卡门撞击坑的区域背景拼接图。红色十字为嫦娥四号的着陆点。图像为嫦娥一号轨道探测器的相机获取（http://planets.cug.edu.cn/）
月壤是什么
月壤是分布在月球表面的一层松散堆积的风化物质，包含岩石碎屑、单矿物颗粒和撞击作用形成的玻璃物质等，其物理化学性质对于认识月球地质历史和探月航天器设计具有重要意义。月壤的形成过程十分复杂漫长，是陨石撞击、宇宙射线轰击和大幅度昼夜温差变化导致岩石破碎等共同作用而形成的。月壤的热导率，由热传导和热辐射两部分组成，这与固体颗粒的堆积方式和大小有关。月壤的性质对于航天器探测和宇航员活动具有重要意义。
阿波罗时代的月壤测温情况和存在问题
自阿波罗（Apollo）计划实施以来，月壤的热导率就引起了人们的广泛关注。早期的测量主要集中在阿波罗计划返回的月壤样品上，但是在星际运输过程中，月壤样品的填充方式受到了扰动，这会影响实验结果的可靠性。后来，在阿波罗15号和17号着陆点，宇航员使用距离月球表面约10-15厘米的热电偶测量了月壤表面温度。由于电缆的热辐射和热物理特性的不确定性以及局部表面粗糙度的影响，测量结果具有较大的误差。
嫦娥四号对月球背面的月壤温度就位测量
嫦娥四号着陆器首次在月球背面对月壤温度进行了就位测量。在嫦娥四号着陆器上的两根月球车导轨的末端底部，安装了4个与月壤直接接触的温度计（图2中的T1-T4），每900秒测量一次月壤的温度，测量精度为0.3 K。温度计白天由太阳能电池板供电，夜间由放射性同位素温差电池供电。
图2. 成功着陆在月球背面的嫦娥四号着陆器。彩色圆点分别指示四个温度计（T1-T4）的位置。黄色虚线表示太阳的大致运动方向。白色虚线表示着陆器的影子在月球表面的大致运动方向。玉兔二号月球车上的全景相机在2019年1月4日（当地时间早上）拍摄。
在白天，月壤的温度主要受太阳辐射和周围环境热辐射的影响。日出后月壤温度快速上升，正午附近时温度达到最大值。正午之后温度开始下降，在傍晚附近温度急剧下降。夜间月表温度的变化主要受月壤的热物理性质影响，温度缓慢下降（图3a）。在月球当地时间正午附近时，四个温度计的测量温度突然降低，而后急剧上升（图3b）。这些温度变化与着陆器的阴影运动相关（图2）。
图3. 嫦娥四号着陆点着陆后第三个月的月壤温度。横坐标为24小时制的月球当地时间，纵坐标是测量的月壤温度。（a）彩色圆点分别表示四个温度计测量的温度。（b）正午附近时温度的变化特征。
数值模拟方法和计算结果
本研究首次对月球背面嫦娥四号着陆点的表面月壤进行了就位温度和热物理性质的分析研究。使用的数值模拟方法主要是根据夜间月壤的表面温度变化计算热导率，与实验室实验相比，保持了月壤的原始堆积方式。具体做法是：将月壤的密度和热导率表示为月壤颗粒大小的函数，以压强定量描述金属导轨对下伏月壤的压实作用，并且考虑阴影的遮挡作用，然后将这些参数耦合到基于热传导方程的温度模型中。通过将模拟的夜间表面温度与嫦娥四号温度探测器测量的夜间表面温度进行拟合，使用最小二乘法找出最优的月壤粒径。同时可以得到月壤的温度剖面、密度剖面和热导率剖面（图4）。
结果显示嫦娥四号着陆点的月壤颗粒最优平均粒径为15 μm。月壤的温度变化在0.4米以下可以忽略不计（图4a）。月壤热导率中的热传导分量在表面约为1.53×10-3 W/(m·K)，在1 m深处约为8.48×10-3 W/(m·K)（图4c）。这些物理性质都表明了月壤具有非常好的隔热性。未来在月球极区建立月球基地，月壤可以作为基地表面的隔热材料。
图4. 嫦娥四号着陆点月壤粒径为15 μm的温度、密度和热导率剖面图。（a）从月表到1米深度的最小、平均和最大温度的剖面图。（b和c）从月表到1米深度的密度剖面图和热导率中的热传导分量剖面图，对应图4a的最小、平均和最大温度。
对于月壤温度探测器设计的启示
月壤的热物理性质是了解月球地质历史和就地资源利用的关键。未来对月壤的就位测温实验，应尽量减少阴影的影响，并且远离着陆器底部火箭喷气区域。此外，对于测量地下热流的仪器，应该至少放置在月表0.4米深度以下，以避免月表温度的变化对深部温度测量的影响。
本研究成果发表在国际著名期刊《National Science Review》（2022年影响因子23.178）上。共同第一作者为中国地质大学（武汉）的博士生肖潇和澳门科技大学的俞硕然博士，通讯作者为中国地质大学（武汉）的黄俊博士。本研究得到国家重点研发项目、民用航天预先研究项目、国家自然科学基金和澳门科学技术发展基金的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac175