近日，行星科学团队在嫦娥五号探测器羽流扬尘与月表改造研究方面取得新进展，研究成果以“嫦娥五号着陆区月表改造作用及对未来月球基地的启示”为题，发表在行星科学国际权威杂志Journal of Geophysical Research: Planets（乔乐等，2023，JGR-Planets）上。该工作主要由山东大学空间科学与物理学院/空间科学研究院、澳门科技大学、德国多特蒙德工业大学、美国布朗大学、南方科技大学、中国科学院国家空间科学中心的研究人员合作完成。山东大学副研究员乔乐为论文的第一作者和通讯作者，山东大学为第一完成单位和通讯作者单位。

在月面探测活动中，每一次月面软着陆或者月面起飞活动都将释放大量的气体，这些高速运动的气体产生的羽流(plume)将与月面松散堆积的月壤颗粒物质发生强烈的相互作用，产生明显的扬尘效应及月面形貌改造。在未来月表长期科考基地的建设及运行中，如我国正在规划论证的“国际月球科研站”，在同一月表区域可能会发生多次探测器的着陆及起飞活动，这就需要定量评估航天探测活动月表设施、载荷及航天员活动的影响。然而由于探测数据等方面的限制，前人研究对月球羽流扬尘及月表改造作用的详细特征及机制的认知非常不完整，且缺乏对月面起飞活动羽流扬尘作用的直接观测研究。

  在本研究中，行星科学课题组乔乐副研究员联合国内外科学家，聚焦嫦娥五号任务，详细分析了嫦娥五号着陆相机在着陆过程中拍摄的月表高分辨率(最高可达厘米级)多时相影像数据，发现着陆发动机羽流对月表的改造过程持续了约50秒，根据月表改造过程的形貌及其演化特征，整个改造过程可划分为四个阶段，涉及尘霾、尘卷风、放射状尘埃条纹、石块运移等一系列丰富的现象(图1)，反映了高速喷流与月壤物质复杂的动态交互过程。

图1.嫦娥五号着陆相机影像分析揭示的一系列月表改造现象，包括尘霾、尘卷风、放射状尘埃条纹、石块运移等

研究团队还基于国际月球探测器在嫦娥五号任务着陆前后及月表驻留期间拍摄的着陆区高分辨率多时相遥感影像数据，利用时域差分(temporal ratio)及相比率(phase ratio)等遥感影像分析技术，定量分析了嫦娥五号月表着陆及起飞过程对着陆区月表的改造过程(图2、3)。分析结果显示，着陆过程对月表的改造区域(blast zone)大致呈圆形，面积约为1600平方米(图2a)，而月表起飞过程形成的月表改造区且由南北两个独立的小区区域组成，总面积达3400平方米(图2b)。这也是首次直接对月表起飞改造区的空间范围进行估计，其观测结果远大于之前的设想。最终被改造的月表包括重要中央主改造区，面积约为2300平方米，周围次要改造区面积可达15300平方米(图2c)。相比率分析结果显示，火箭喷气的吹扫作用破坏了表层月壤疏松多孔的结构，使其表面变得更为光滑(亚米级尺度)更为明亮。

图2.时序差分轨道遥感影像分析揭示的嫦娥五号月表着陆(a)及起飞过程形成的月表改造区，以及最终被改造的月表范围(c)

图3.嫦娥五号任务月表羽流扬尘及月表改造演化示意图

另外，结合以往任务数据，研究团队发现月表改造区面积和着陆器质量之间存在较好的冥函数关系，基于此函数可以定量预测未来重型月球着陆器对月表的影响范围，比如美国SpaceX正在研发的计划将阿耳忒弥斯登月(Artemis)任务宇航员着陆到月表的星舰着陆器(Starship Human Landing System)形成的月表主改造区可达超过1平方公里，而最终被改造的月表面积可达数十平方公里。这些大型着陆任务释放的大量气体也可能会混染月球极区的挥发分物质，对未来月球极区水冰探测着陆任务提出了一定挑战。所以，在未来长期月球科考基地的设计及建造过程中，需要认真考虑航天发动机喷气作用的影响。

近年来，行星科学团队围绕深空探测国家战略需求，在月球地质学、天体化学、行星遥感与光谱学等方面取得了一系列研究成果。本研究得到国家重点研发计划资助、民用航天技术预先研究项目、国家自然科学基金及山东大学(威海)青年未来学者计划等基金的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1029/2022JE007730

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