主讲人简介：徐懿，澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室助理教授，博士生导师。先后于南京大学物理系和美国匹兹堡大学计算机与电子工程系获得学士及博士学位, 并获得匹兹堡大学工程院优秀研究助理奖励。目前主要研究方向是基于探地雷达数据解译类地行星浅表层地下结构和物性以及火星地貌的类比研究。她在探地雷达和火星地质活动方向已有多年积累，其中关于嫦娥四号探地雷达的工作成果被评为《自然？通讯》杂志2020年度天文学科类亮点论文。
浅表层结构研究意义
美国大峡谷
科学家为什么会关注太阳系天体的浅表层结构？以美国大峡谷为例子。大峡谷以波澜壮阔的景色而出名，游客在此可以感受到大自然的鬼斧神工。在地质学家眼里，大峡谷不仅是美丽的景观，也是他们阅读地球历史的一本书。在图片上，可以看到很多颜色各异的水平状地层：从谷底至顶部，从古老到年轻，是从前寒武纪到新生代各期的系列岩系，水平层次清晰，各个地质时代的岩层整齐有序地排列着。岩层含有各地质时期代表性的生物化石。科学家通过对这些岩层成分、化石、年份等分析从而得知大峡谷这些岩层大多在温暖的浅海、沿岸海滩或是沼泽地中沉积下来的。这说明了北美大陆海岸线反复向前推进或后退，还有一些岩层是在沙漠中以沙丘形式沉积下来的。从这些地下结构能反映出北美大陆过去的环境与气候处于不断变化的状态。这些浅表层的结构保留了表面地质活动和气候变化的历史，所以是科学家了解地球地质历史的非常重要的数据来源。
探测浅表层结构的方法
科学家有多种研究浅表层结构的方法，类似于大峡谷这样的天然暴露的岩层剖面当然是非常理想的研究对象，但这些地区是可遇不可求，是大自然创造的机会才能让人得以窥探地表以下的结构，所以大峡谷也被称为活的地质史教科书。第二个办法就是人工挖掘，如图展示的是希克苏鲁伯陨石坑和它的岩芯样品。这个陨石坑是一个位于墨西哥尤卡坦半岛埋藏在地下的撞击陨石坑。根据《科学》杂志研究报告，在6500万年前，一颗小行星撞击形成的希克苏鲁伯陨石坑，这个撞击事件也是恐龙灭绝的主因。科学家在陨石坑不同地点钻取岩芯，分析不同深度岩层的走向，从而进一步分析这些岩层所代表的地质年代时期的环境和物种。第三种方法是借助地球引力和磁场数据获取地表以下深部结构的信息，主要关注一些引力和磁场异常的区域。
美国科罗拉多大峡谷
希克苏鲁伯陨石坑与它的岩芯样品
此外，就是本文重点讨论的方法用雷达去探测浅表层结构。雷达探测是一种向目标发射特定频率的电磁波的主动型探测方式，当电磁波遇到目标星体表层及内部介电常数不连续界面时发生反射信号，同时被雷达设备接收。通过对接收信号进行分析，可以对深空目标的次表层结构、表面介电特征等进行研究。
车载探地雷达
雷达在我们的日常生活中都有广泛的应用，比如定位埋藏的公用设施、矿场评估、法医调查、考古挖掘、寻找埋藏的地雷和未爆弹药、测量雪和冰的厚度和质量以进行滑雪场管理、雪崩预测等等。由于掩埋的物体与周围物质性质不同，电磁波在这些物体的表面形成了反射波被雷达设备捕捉到，从而可以用来判断掩埋物所处位置、大小和形状等信息。
雷达设备可以放置在不同的平台上，除了小推车、小汽车，也可以放到飞机或者卫星的移动平台上，做大范围的观测。人眼可见的电磁波段的光学影像，容易受到天气、大气状况和太阳光照的影响，而雷达作为一个主动遥感设备，不存在这些问题。光学影像和雷达图像的对比可以发现，光照条件和天气情况包括云雾对雷达成像影响较小，依然可以获取到清楚的地面照片。
使用不同频率的雷达，可以查看到不同穿透深度的图像。例如雷达在毛里塔尼亚的干燥沙漠下发现了一个距今五到六千年前的巨大的古河网，该河网在西撒哈拉地区输送了数百英里的水，这说明撒哈拉沙漠曾经是一个非常活跃的河流系统，而并不是我们现在所看到的干燥环境。所以，雷达无论是在日常生活中还是在科学研究领域方面，都有着很广泛的应用。
雷达观察到的撒哈拉沙漠下的古河网
探索地球唯一的卫星-月球
对于深空探测领域，雷达也是一个很重要的探测手段。首先我们来看熟悉的地球唯一的卫星---月球。古时候人类对月亮有很多美好的想象，也有很多家喻户晓的神话故事，如嫦娥奔月、吴刚伐桂等等。现在，随着科学技术的进步，人类不仅通过望远镜、卫星遥感技术和登月观测，增加了对月球的了解，而且美国航天局、欧洲和我国都有未来在月球上建立基地，开发月球矿产等宏伟计划等待实施。
建立月球基地的示意图
中国探月工程英文缩写是“CLEP”(Chinese Lunar Exploration Program)，它也被称为嫦娥工程，命名与中国著名的神话故事相关。月球车采用了嫦娥的宠物 “玉兔”的名字。2004年2月，中国探月工程官方宣布：第一步无人月球探测工程分“绕”、“落”、“回”三步走，预计将在2020年前后完成。2007年10月24日，在西昌卫星发射中心，我国发射了第一颗绕月人造卫星---嫦娥一号，正式迈出了我国探月的第一步：“绕”。通过环绕飞行，嫦娥一号提供了不同分辨率的月球三维立体模型图。之后的嫦娥二号是作为嫦娥一号的备份卫星发射。除了绕月采集数据之外，嫦娥二号还获取了嫦娥三号着陆区高分辨率的月球表面三维影像和元素分布图，为软着陆做好准备。2013年12月2日，为“落”而生的嫦娥三号成功发射，并于14日顺利在月球实现软着陆，成为我国首个实现地外天体软着陆的探测器。2019年1月3日，嫦娥四号在月背着陆，成为世界上第一个在月球背面着陆的探测器。因在地球上看不到月球背面，所以嫦娥四号返回的科学数据需要依靠中继星转接信号。嫦娥五号作为我国月球探测第一阶段的收官之作，于2020年12月17日成功采样返回。
嫦娥三号和四号月球车都搭载了探地雷达，用于浅表层结构和月壤月岩的研究。月壤广泛分布在月球表面，主要由一系列微陨石撞击事件和空间风化作用形成，保留了重要的早期太阳系历史信息。月壤中含有清洁的核聚变燃料氦-3(3He)。月壤的厚度和物理机械性质等与未来月面活动和月球资源开发息息相关。在月壤之下是月岩，它的出露月表面积占全月表的17%，而且在月球正背面呈非对称性分布，玄武岩喷发量随时间的变化反应了月球岩浆和热演化历史。
嫦娥三号着陆于月球正面的雨海地区，是一个较为年轻的爱拉托辛纪地质单元；嫦娥四号着陆于月球背面较为古老的冯卡门撞击坑内部。通过对雷达数据的分析发现，古老的嫦娥四号着陆区月壤厚度远高于嫦娥三号着陆区，说明该地区风化时间较久，而且因为两地的铁钛含量不同，电磁波的衰减速率不同，探地雷达在嫦娥四号着陆区看得更深。在下方的月岩部分，雷达探测到了不同时期喷发的玄武岩层之间的界面和撞击事件带来的大量溅射物。这些玄武岩层的厚度随时间发生着变化，距今约31亿年晚期喷发的玄武岩层较早期更薄，说明岩浆喷发量在下降。遥感光谱数据显示距离嫦娥四号着陆区30公里外的织女撞击坑溅射物成分不同，也说明了在着陆区300米深度以内，至少存在三层成分不同的地层，与雷达推测的结果吻合。从地下层趋势分析结果可以看出这些地下界面都是西南高，东南低。由于玄武岩是由高向低流动，因此更高的方向可能是玄武岩层来源的方向。在着陆区域的西南方向，我们观测到一个火山口穹隆。穹顶的高程数据也表征了在冯卡门撞击坑表面至少存在着三次较为大型的喷发，而且这几次喷发的厚度与雷达观测结果较为一致。
火星雷达的发现
火星雷达MARSIS和SHARAD
火星上目前已经有两个工作了十几年的环绕器雷达（上图），它们的设计参数有所不同。美国航天局发射的勘测轨道飞行器任务搭载的SHARAD(Shallow Rada的缩写)雷达观测的精度高，但是看到的是比较浅的地下结构，而欧洲航天局火星快车任务搭载的MARSIS(火星地表和电离层探测雷达)雷达侧重观测更深的部分，但它精度稍差一些。两者结果可互为补充，在火星上发现了不少水冰资源，为人类登陆火星做准备。
火星南极区冰盖和雷达扫描图
火星和地球类似，在两极都能看到白色的冰盖，它的表面主要是挥发温度较低的二氧化碳形成的干冰，内部蕴含了大量的水冰，是火星不同时期沉积的水冰灰尘混合体。雷达信号可以穿透整个冰盖，给它做个三维扫描，显示冰盖内部结构。MARSIS首次在火星南极冰盖之下 1.5 公里处发现了宽为 20公里左右的液态水湖，之后又发现了几个相邻的小水体。但这些都不是可以饮用的淡水湖，根据理论模型计算的地下温度和水熔点的显示，这些液态水的咸度非常高。
由于极区温度低，靠近赤道地区更适合作为火星着陆区。在中纬度地区，雷达也有发现接近地表的水冰资源。例如SHARAD在乌托邦平原探测到一个水量和地球上最大的淡水湖相当的冰湖；还有一些特殊形貌的撞击坑，像基座型撞击坑。地下能探测到多层反射波，科学家推断它的形成与次表层的水冰相关。雷达还发现了被掩埋的古河道。过去的火星曾经表面有大量的液态水出现，之后环境发生了变化，河流渐渐干涸，后期火山喷发的熔岩覆盖了河道，从表面抹去了河流存在的痕迹。而雷达可以根据地下的反射信号，重构古河道的三维结构，并可以推测出这个地区曾经存在的表面液态水量和当时的气候温度。
未来的雷达探测计划
2021年，美国的“毅力号”和中国的“天问一号”火星探测器都携带了雷达，对火星浅表层结构展开观察。“天问一号”是中国首次自主发射的火星探测任务，它包括了环绕器、着陆器和巡视器。环绕器进入火星轨道之后拍摄了大量高清照片为5月份的着陆做准备。5月15日巡视器“祝融号”成功登陆火星并即将展开工作。环绕器和巡视器上都携带了雷达设备，分别用来观察极区冰盖和地下水冰以及着陆区地下的土壤分布、土壤成分和地下水冰情况。美国火星探测任务“毅力号”火星车首次搭载了探地雷达设备，用来探索巡视区域下方的地质结构；此外，还可配合其它载荷，使我们了解着陆区的地质历史。我国公布的首个小行星/彗星探测计划“郑和”号的科学载荷中也包括了探地雷达设备，它主要用来获取小行星和彗星表层、次表层回波探测数据，从而分析小行星和彗星的地下结构和物质组成等信息。未来雷达将继续在深空探测中发挥不可或缺的作用，以揭示太阳系天体浅表层结构的更多秘密。
“天问一号”任务的火星车祝融号
问答环节：
1.火星是否和月球一样有很多玄武岩？
答：是的。火星后期也有一些火山活动，表面覆盖了大范围玄武岩，抹除了部分早期水流活动的痕迹。
2.可不可以用探地雷达来找水冰？
答：可以的，这也是“天问一号”的主要科学目标之一。
3.3He的来源是什么？月球可以提供多少3He
答：主要来源是太阳风注入保留在月壤中。氦3的总量是由月壤厚度和它的含量决定的，不同地点的含量会不同，目前在阿波罗登陆地区有数据，但月球极区，永久阴影区这些位置的含量还需要进一步的探测数据。
4.对于想研究行星科学的同学需要做哪些准备？
答：对于打算就读行星科学专业的同学，可以留意下科技类新闻，科普类视频或文章，有机会参加一些科普活动，看自己对哪个具体的研究方向感兴趣。进入大学后，选择相关的专业或者专业课，例如天文学、地质学、物理学、化学、生物等。
5.嫦娥6号采样点在哪里？
答：目前还未正式公布嫦娥6号的着陆点，预计会在月球南极区域内。
6.火星雷达已经工作了多少年？
答：MARSIS和SHARAD都是在火星环绕器上工作了十几年。
7.火星雷达观测到液态水的现象是被公认了的吗？
答：还是有一些争议，因为理论计算如果在1.5公里深度存在液态水，要求火星内部热流值高于预估值，所以也有观点认为，这个位置雷达观察到的可能是泥浆而不是水。
