美国国家航空航天局的月球勘测轨道飞行器显示月球上的冰沉积物分布广泛

根据美国宇航局月球勘测轨道飞行器(LRO ) 任务数据的最新分析，月球尘埃和岩石 (风化层) 中的冰沉积物比以前认为的要多。冰将成为未来月球探险的宝贵资源。水可用于辐射防护和支持人类探险者，或分解成氢和氧成分以制造火箭燃料、能源和可呼吸的空气。

先前的研究发现，月球南极附近较大的永久阴影区 (PSR) 中存在冰的迹象，包括卡贝斯陨石坑、哈沃思陨石坑、舒梅克陨石坑和福斯蒂尼陨石坑内的区域。在这项新研究中，“我们发现，在南极以外的 PSR 中，至少在南纬 77 度以内，存在大量水冰的证据，”美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的蒂莫西·P·麦克拉纳汉博士说，他是这项研究的论文的主要作者，该论文于10 月 2 日发表在《行星科学杂志》上。

该研究通过提供地图和识别表面特征来进一步帮助月球任务规划者，这些特征表明哪里可能发现冰，哪里不太可能发现冰，并提供为什么会发现冰的证据。“我们的模型和分析表明，最大的冰浓度预计会出现在 PSR 最冷的位置附近，温度低于 75 开尔文（-198°C 或 -325°F），以及 PSR 面向极地的斜坡底部附近，”麦克拉纳汉说。

“我们无法准确确定 PSR 冰沉积物的体积，也无法确定它们是否可能被埋在干燥的风化层下。但是，我们预计，这些沉积物上方每 1.2 平方码（平方米）的表面，与周围区域相比，表面顶部 3.3 英尺（米）内应该至少多出约 5 夸脱（多出 5 升）的冰，”麦克拉纳汉说。该研究还绘制了预计冰沉积物较少、较小或浓度较低的区域，主要出现在较温暖、周期性照明的区域。

冰可能通过彗星和流星撞击植入月球风化层，以蒸汽（气体）的形式从月球内部释放出来，也可能通过太阳风中的氢和风化层中的氧之间的化学反应形成。PSR 通常发生在月球两极附近的地形洼地中。由于太阳角度低，这些地区长达数十亿年都没有见过阳光，因此永远处于极冷状态。人们认为，陨石、太空辐射或阳光会反复将冰分子从风化层中移出，并在月球表面传播，直到它们降落在 PSR 中，并被极冷所困。PSR 持续寒冷的表面可以将冰分子保存在表面附近数十亿年，在那里它们可能会积聚成足够丰富的矿藏，可供开采。人们认为，在暴露在直射阳光下的表面上，冰会很快消失，从而阻止它们的积聚。  

研究小组利用 LRO 的月球探测中子探测器 (LEND) 仪器测量中等能量的“超热”中子，从而探测到冰沉积的迹象。具体来说，研究小组使用了 LEND 的准直超热中子传感器 (CSETN)，它有一个固定的 18.6 英里（30 公里）直径的视场。中子是由高能银河宇宙射线产生的，这些宇宙射线来自强大的深空事件，例如恒星爆炸，撞击月球表面，分解风化层原子，并散射称为中子的亚原子粒子。中子可能来自大约 3.3 英尺（米）深度，它们在风化层中来回穿梭，与其他原子相遇。一些中子被引导到太空，在那里可以被 LEND 探测到。由于氢的质量与中子大致相同，因此与氢碰撞会导致中子损失的能量比与大多数常见风化层元素碰撞时损失的能量要多。因此，当风化层中存在氢时，其浓度会导致观测到的中能中子数量相应减少。

“我们假设，如果所有 PSR 的氢浓度都相同，那么 CSETN 应该能够根据其面积按比例检测出它们的氢浓度。因此，面积较大的 PSR 应该能够观察到更多的氢，”McClanahan 说道。

该模型是根据一项理论研究开发的，该研究展示了 CSETN 固定视野区域如何探测到氢增强 PSR。使用 502 个 PSR 的中子发射证明了这种相关性，这些 PSR 的面积从 1.5 平方英里（4 平方公里）到 417 平方英里（1079 平方公里），与周围氢增强较少的区域形成对比。对于较小的 PSR，相关性预计较弱，但对于面积较大的 PSR，相关性会增强。

这项研究由 LRO 项目科学团队、NASA 戈达德太空飞行中心人工智能工作组和 NASA 资助奖 80GSFC21M0002 赞助。这项研究使用 NASA 的 LRO 占卜者辐射计和月球轨道器激光高度计仪器进行。LEND 仪器由俄罗斯航天局 Roscosmos 旗下的空间研究所 (IKI) 开发。LEND 被整合到 NASA 戈达德太空飞行中心的 LRO 航天器中。LRO 由位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心为位于华盛顿的 NASA 总部科学任务理事会管理。