月球之水

作者:郑永春，首届湘江学者，国家天文台青年创新促进会主任

根据:很长一段时间以来，学术界一直在争论月球上是否有水以及水是如何形成的。最近的一些探索和研究结果显然支持月球上有水的观点:2008年，科学家在阿波罗宇航员收集的月球火山玻璃中发现了水。2009年11月，美国航天局宣布，与月球侦察轨道器(LRO)一起发射的月球陨石坑观测和传感卫星(LCROSS)在撞击月球方面取得了重要成果。撞击过程的分析数据显示月球上有水。2010年3月，科学家在月球岩石中发现了含有磷灰石的水。2010年3月1日，美国航天局宣布，在探测微型雷达方面取得了重大进展，该雷达由美国航天局开发，搭载在印度月球车1号探测器上，并获得了月球上存在水冰的证据。

月球上没有任何形式的水？1961年，美国科学家肯尼斯·沃森等人首次提出了月球上有水冰的想法。他们认为，月球极地的一些撞击坑底部可能位于永久阴影区，无法被太阳照亮(图3)，地表和地下温度全年保持在40K (-223℃ ~-233℃)。原始月球脱气产生的水和彗星带到月球表面的水在如此低的温度条件下不太可能逃逸到太空，很可能会以水冰的形式保存很长时间。他们推测月球极地撞击坑底部可能有大量的水冰。

自月球水冰的想法提出以来的30多年里，许多科学家进行了各种各样的探索，但无论是在早期的月球轨道器、无人驾驶着陆探测器和阿波罗载人登月的野外考察中，还是在月球样品和月球陨石的实验室研究中，都没有发现月球水冰的确凿证据。因此，大多数科学家认为月球表面没有任何形式的水，并提出四个方面的证据来支持他们的观点:

证据1:月岩主要是岩浆冷却形成的各种火成岩，没有与水有关的沉积岩(包括砂岩、页岩和石灰岩等)。)已经被发现。证据2:月球的主要矿物是普通的无水矿物，即辉石、斜长石、橄榄石、钛铁矿、尖晶石等。无粘土、云母、石膏等原生或次生含水矿物。被发现了。证据3:月球上没有任何迹象可以证明水的存在，比如大气、水体和生物。证据4:几十亿年来，月球表面经历了无数小天体的频繁撞击。即使月球上有水，撞击过程产生的高温融化已经导致水逃逸。此外，月球上没有大气层，重力很小，这使得水很难在月球表面存在。

图1:一年中月球北极照明时间的百分比

右图显示了月球北纬86 ~ 90度北极地区的地形和光照情况。左图像显示了右图像的部分放大图(比例尺:15公里)。中间的色标表示一年中照明时间占全年的百分比。左侧图像中照明度为0%的黑色斑点表示撞击坑底部的永久阴影区域无法被阳光照亮。一些100%照明的白色区域是永久照明区域，通常位于山顶。

图2:月球南极高程图

月球南极区域海拔的假彩色图像。红色表示高海拔地区，蓝色表示低海拔地区。黑圈是太阳系中最大最深的盆地——艾特肯盆地，它有大面积的永久阴影。

图3:一年中月球南极光照时间的百分比

箭头A指的是美国未来月球基地的选址区域之一。它位于沙克尔顿环形山的顶部(环形撞击环形山在圆心的右侧)，是一个永久性的照明区域(可以为月球基地提供永久性的能源供应)，而环形山的底部是-233℃(可以为月球基地的一些科学实验提供一个极端的实验环境)。

美国于1994年1月25日发射了克莱曼婷月球探测器。探测器装有双基地雷达(也称为双基地雷达或双基地雷达)。这种雷达的探测原理(图4)是从绕月卫星发射电磁波信号到月球表面，并接收地球上反射的电磁波。基于回波信号，可以推断月球表面材料的相关信息。

图4:克莱曼婷双基地雷达探测原理

如果月球表面的探测目标含有冻结的挥发物(如水冰)，回波信号将显示不同的偏振模式和来自干燥月球土壤的能量特征。1994年4月，当克莱曼婷绕月球第234圈(图5)运行到月球南极上空200公里的高度，并与月球和地面接收站保持一致时，雷达回波显示了一种特殊的散射效应，即雷达回波没有显示月球干燥土壤的特征，而是显示了易挥发冰(可能混有土壤和砾石)的特征。从这个角度来看，月球两极存在水似乎是第一次有了直接的证据。

图5:克莱曼婷雷达探测结果

上图显示了克莱曼婷双轨雷达探测到的脚印，其中的234轨道直接飞过南极洲的永久阴影区。轨迹235类似于轨迹234在南极地形上飞行，但是它在照明区域上飞行。下图显示了在轨道234的检测数据中存在雷达回波异常，但是在轨道235中没有发现回波异常。

根据斯图尔特·诺泽特1996年发表在《科学》杂志上的研究结果，产生异常回声的区域位于月球的永久阴影区，而月球表面被太阳照射的区域的回声并不异常。月球北极没有大盆地，永久阴影面积为530平方公里，而南极有直径2500多公里、深度12公里的阿特金斯盆地，永久阴影面积为6361平方公里。因此，南极的水冰可能比北极多。

然而，一些科学家认为，根据克莱曼婷号上的雷达探测结果，水冰的存在和水冰的确切储存量无法得到证实。由于雷达在极地观测中使用82° ~ 90°的大入射角，这本身可能导致异常回波。此外，非水冰的低损耗材料和粗糙的月球表面等因素也会导致回波异常。

事实上，早在1992年，美国康纳大学的博士生史黛西就使用世界上最大的306米射电望远镜改装的雷达，以125米的空间分辨率对月球极地进行地面观测，试图在月球极地永久阴影区寻找水冰。雷达波长和入射角与克莱曼婷的相似，但两者的观测结果部分不一致。地面雷达观测没有在任何大于1平方公里的区域发现回波异常，这至少表明在月球的极地区域没有水冰。虽然地基雷达也在月球的一些小区域发现了回波异常，但其中一些区域实际上位于太阳辐射区，而不是永久阴影区。甚至在北纬47度(中纬度)的洪湾地区也发现了回波异常。这显然是一个非常令人困惑的结果。

总之，克莱曼婷雷达回波异常是由月球水冰引起的这一观点一直备受争议。然而，月球极地地区的无水冰问题再次引起了学术界、媒体和公众的广泛关注。

(2)美国月球勘探者的中子探测1998年1月7日，美国发射了月球勘探者探测器，该探测器携带有能够测量月球表面氢含量的中子探测器。由于氢可能以水分子的形式存在，氢信号的强度可以间接地反映水的含量。检测结果(图6)表明，月球极地地区有丰富的氢，北极的氢信号略强于南极。因此，推测月球的极地地区可能含有丰富的水冰。根据分析和探测数据，这些地区月球土壤中的水冰含量约为0.1% ~ 0.3%，可能是冰粒和月球土壤(俗称脏冰)的混合物，在月球表面的分布深度约为40厘米，两极的总有效面积为1850平方公里。一些专家估计，月球极地地区的水冰总量约为66亿吨。

与雷达探测相比，中子探测结果引起的争议相对要小得多。这似乎为水冰的存在提供了有力的证据。然而，中子探测仅仅反映了在两极的永久阴影区域中大量氢的存在，并且这种氢是否以水冰或其他物质的形式存在已经成为争论的焦点。

图6:月球探测器中子探测器获得的月球极氢含量分布图

1999年7月31日，“月球探勘者”号以每小时6115公里的速度撞向它在月球极地的预定目标。科学家最初估计，这次撞击将激发约18公斤的水蒸气，用于地面和空间观测，希望获得水冰存在的无可争议的证据。不幸的是，在月球探勘者号撞击后，预期的水蒸气云并没有出现。哈勃太空望远镜和德克萨斯大学麦克唐纳天文台都没有观察到任何关于水的信息。

3.在月球上发现水(1)美国在阿波罗月球样品中发现水尽管前苏联科学家早在1978年就在月球24的样品中发现了0.1%的水，但美国人根本没有意识到这个结果。他们认为所有的阿波罗样品都不含水，前苏联发现的水是由于样品保存不当造成的。原因当然是在阿波罗收集的月球样本中没有发现水。

然而，随着精密分析技术的进步，阿波罗样品不含水的结论最近被推翻了。华盛顿卡内基学院的埃里克·霍利开发了二次离子质谱，可以检测样品中的微量元素。他们利用这项技术成功地在地球的熔融地幔中发现了水。美国布朗大学的阿尔韦托·萨尔参与了这项研究，希望将这项技术应用于月球样本的研究。他花了三年时间说服美国宇航局提供研究经费，并从阿波罗样本中挑选了大约40个珍贵的月球火山玻璃样本(图7)。萨尔的研究小组没有直接找到水，但是分析了氢的含量。分析结果与地球地幔样品中氢和水的分析结果相似，表明月球和地球地幔中可能有大量的水。研究结果发表在2008年的《自然》杂志上。阿波罗火山玻璃中氢的计算含水量与前苏联科学家1978年宣布的含量大致相同。

图7:阿波罗计划收集的月球样本中的火山玻璃

2010年3月3日，美国卫斯理大学的詹姆斯·格林伍德教授在休斯顿举行的第41届月球和行星科学会议上宣布，他们在阿波罗月球岩石样本中发现了微量水，最高含量可能只有千分之几。研究人员用电子探针粒子束轰击磷灰石，以计算岩石样品中的氟和氯含量。根据磷灰石的计算公式，氟和氯的含量表明需要另一种化合物来使磷灰石的晶体结构更加完整。研究人员得出结论，这种化合物可能是氢氧化物磷灰石和水分解的产物。他说，研究证明月球岩石中的水不是来自地球。

近年来，随着科学仪器灵敏度和分析精度的显著提高，在月球样品中相继发现了氢或水。我们相信，类似的证据将在未来被发现，以显示月球样本含有氢或水。然而，这种氢或水存在于矿物晶格中，含量很少，极难提取。很难改变月球绝对干燥的结论。

(2)印度月球车1号的微型雷达探测。由于月球上发现水的区域基本上位于北极和南极的永久阴影区，这些区域位于高纬度地区，太阳基本上每次都要越过地平线，光线无法到达撞击坑的底部。因此，可见光相机和其他需要依靠阳光反射或激发的仪器无法看到这些撞击坑的底部。然而，雷达探测并不依赖于光线，它可以成像月球两极的永久阴影区域。预计将获得撞击坑底部地形和水冰的确凿证据。

美国已经为印度的月球船1号探测器(图8)提供了一些科学仪器，包括一个小型合成孔径雷达。由于克莱曼婷有争议的雷达探测结果，这次月球船1号上的微型雷达的设计方式不同于克莱曼婷雷达，即发射左旋极化信号并接收水平极化和垂直极化反射信号。这种工作方式可以保留反射信号的所有信息，从而清楚地判断回波异常是由水冰和月壤的混合还是其他因素造成的。

根据2010年3月在休斯敦举行的第41届月球与行星科学大会上公布的结果(图9)，微型雷达在月球北极发现了40多个不同大小(直径约1.6公里~ 15公里)的具有异常回波特征的撞击坑。其中，大约30个撞击坑在坑中只有回声异常，而在坑的环和周边没有回声异常，这可能是由坑中的水冰引起的。回声异常发生在其他11个撞击坑内和周围，可能是由崎岖的地形和其他原因造成的。在月球南极也发现了类似的现象。这表明水冰很可能存在于月球极地的这些撞击坑中。根据初步估计，在月球北极的30多个撞击坑中大约有6亿吨水冰。此外，在南极舒梅克陨石坑也发现了水冰，该陨石坑将来可能会作为月球基地。

图8:印度月球船1号卫星及其科学仪器的分布

图9:通过月球船1的微型雷达探测获得的月球北极的圆极化率(CPR)图。

绿色圆圈中的雷达回波异常可能是由水冰引起的。红色圆圈中的回声异常是由其他因素引起的。

根据雷达探测原理，这些撞击坑中的水冰可能以大冰块或冰原的形式存在，分布在10米厚的月球土壤层中。

(3)印度1号月球船的光谱探测光谱使用了1号月球船上的另一种科学仪器——美国开发的月球矿物测绘仪器。2009年10月，美国布朗大学的行星地质学家卡尔·皮特和其他人在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。通过仔细研究月球矿物制图仪获得的近红外光谱(图10 ),他们发现羟基(由氢原子和氧原子组成)或水的光谱信号几乎存在于月球的所有纬度。

图10:月球矿物制图仪获得的月球正面太阳近红外辐射图

图中的蓝色表示可能含有微量水和羟基的区域，它们分布在极地寒冷的高纬度地区。绿色表示波长为2.4μm的表面亮度；橙色和粉色表示含铁矿物分布的区域。

尽管以前在月球探测中也发现过类似的光谱信号，但它们并没有得到应有的重视。例如，从1996年到1999年，美国MMT天文台台长费思·比利亚尔斯和他的同事使用地面望远镜观察月球，发现了月球极地地区水合物的光谱信号。然而，由于水合物的光谱信号出现在极地的大部分区域，甚至一些区域的白天温度可能超过100℃(水的沸点)，研究结果受到如此大的质疑，以至于没有一家期刊愿意发表论文，使得该结论在10年后的2008年发表在一份鲜为人知的日本出版物上。

此外，卡西尼号的土星探测器于1997年10月发射，1999年9月在地球上飞行时瞄准了月球。在2005年1月发射后的几天内，深度撞击太空探测器还短暂地瞄准了正飞往彗星的月球。两个探测器上的光谱仪检测到类似于水的光谱信号。然而，这些信号非常微弱，几乎淹没在背景噪声信号中，没有得到应有的重视。

该月球矿物测绘仪器获得的结果与其他月球光谱测量的结果一致。因此，一些专家认为，基本上有可能确认目前月球上确实有水。由于光谱探测只能探测到月球表面几毫米的深度，月球矿物测绘仪发现的水应该存在于月球表面几毫米厚的尘埃中，含量很少，月球矿物以结晶水的形式存在。根据地质经验，结晶水和矿物质之间的结合非常强，通常需要加热到200℃或更高才能释放出来，这解释了为什么在月球的中低纬度地区也能检测到羟基信号，那里的白天温度可达130℃。

(4)美国月球侦察轨道器的中子探测原理类似于上述月球侦察轨道器。美国宇航局还在2009年6月19日发射的月球侦察轨道器上搭载了一个低能中子探测器，通过记录中子计数来探测氢含量，并进一步证明水的存在。中子探测器在月球撞击坑的永久阴影区发现了大量的氢(氢可能以水的形式存在)(图11)。

由于中子探测器探测到月球表面几米深的月球土壤，“水”可能以冰粒的形式与月球土壤混合，即前面提到的“脏冰”。然而，令人费解的是，在温度相对较高、阳光强烈的三个撞击坑的外围地区也发现了大量的氢。

图11:LRO中子探测器获得的月球南极氢含量分布图

(5) LCROSS月球环形山观测和传感卫星由谢泼德航天器和半人马火箭组成。2009年10月9日，重达2.2吨的半人马座火箭首次以2.5公里/秒的速度撞击了月球南极的卡比乌斯。谢泼德飞船上的科学仪器有4分钟的时间来探测撞击飞溅并将探测数据发回地面控制中心。遗憾的是，LCROSS的撞击规模和亮度远低于预期，地面观测设备和其他空间探测器甚至无法观察到明显的撞击效果，这与撞击前高调的宣传形成了鲜明对比。

2010年3月，美国宇航局举行了一次特别新闻发布会，宣布LCROSS撞击成功证实月球上确实有水。据报道，半人马座火箭撞击产生的溅射物质(图12)由两部分组成，其中一部分由密度较低的蒸汽和灰尘组成，撞击后会上升。另一部分由密集的石块和颗粒组成，它们在撞击后被抛来抛去。在不太成功的撞击后，科学家团队在压力下，几乎日夜都在分析来自谢博德飞船的大量数据。研究的重点是光谱仪的探测数据，这是月球上存在水的重要证据。

科学家首先排除了半人马火箭污染月球表面的可能性。然后，他们将已知的水和其他物质的近红外光谱信号与撞击期间LCROSS近红外光谱仪获得的光谱信号进行了比较(图13)，发现只有月球土壤和水的混合光谱与LCROSS获得的光谱相似。然而，月球土壤和任何其他含羟基化合物的混合光谱不能与LCROSS观测结果相匹配。

图12:在撞击发生20秒后，LCROSS上的可见光相机拍摄的照片显示有羽状飞溅。

图13:LCROSS观测数据和模型拟合的比较

其中，蓝色曲线是向下看的近红外光谱仪测得的光谱曲线，红色曲线是月球土壤和水冰混合物的光谱模型。两条曲线的吸收特性明显重叠(黄色区域)，证明吸收特性是由水冰引起的。

LCROSS的首席科学家安东尼·克莱普·莱特说:“我们非常高兴。有多种证据表明水同时存在于上述两种溅射材料中。尽管水的浓度和分布需要进一步分析，但可以肯定的是，水确实存在于Kebbs矿坑中。

此外，紫外分光计还检测到冲击溅射材料中的蒸汽和碎片云的光谱特征(图14)，进一步证实了水的存在。

图14:撞击后紫外/可见光谱仪的观测数据显示了发射线的变化(如箭头所示)，具有蒸汽和碎片云混合的特征

四、如何解决月球基地的供水问题由于遥感探测手段的限制，目前只能用间接方法探测月球上是否存在水冰，而水分子的存在无法直接测量，因此，月球上的水问题仍然缺乏直接证据。例如，中子探测器发现月球上的氢含量，特别是在极地地区，非常高，但氢可能以其他化合物的形式存在，这可能不一定证明水的存在；雷达探测主要是根据月球表面雷达波的反射来估计月球土壤中的物质。探测结果表明，月球上有类似于冰块或冰原的反射器，但这些反射器可能是其他材料，不一定是水冰。光谱检测发现月球上的羟基含量非常高，但羟基也可能以其他化合物的形式存在，不一定是水。这使得不同的科学家对同一探测结果有两种甚至几种不同的解释，从而引发了关于月球上是否真有水的争论。

然而，使用不同探测方法的多个探测器获得的探测结果一致支持月球上有水的解释。特别是光谱探测结果显示月球上有丰富的羟基，地面模拟实验也支持只有月球土壤和水的混合物才能符合光谱探测结果，这使得月球上有水被许多专家认可。此外，与以前的预测相比，水的分布范围可能更广。

如上所述，目前月球上有三种主要的水。第一种是与矿物质结合的结晶水。这种结合非常牢固。它只能在月球土壤被加热到几百摄氏度时释放。月球白天的温度超过100摄氏度，不会使水逸出。这解释了为什么在月球的中低纬度地区和被阳光照射的地区仍然可以探测到水。第二种是“脏冰”，它以冰尘与月球土壤混合的形式存在。这种冰只能存在于含量约为0.1%的极低温永久阴影区，难以收集和利用，对未来的月球基地没有使用价值。第三种是以冰或冰的形式埋藏在月球土壤中的水冰。

就目前的技术水平而言，在月球上发现水冰只有科学意义，没有开发利用的前景。首先，月球撞击坑中一吨月球土壤的含水量不到1千克。从月球土壤中收集和再利用这些微量水是非常昂贵的。第二，这些撞击坑的深度为3公里，坑内完全黑暗，温度低至-240℃，而坑外照射太阳能的区域高达110℃ ~ 130℃，没有任何仪器或宇航员能在这种温度条件下工作。

在发现了月球上有水的许多证据后，科学家们将需要回答一系列问题，例如月球上的水来自哪里？它是从太阳风喷射到月球的质子连续流中获得的吗？还是彗星和小行星的撞击？月球上的水是如何流动的？月球上的水中矿物质吸收的结晶水的比例是多少，月球土壤中以“脏冰”形式存在的水的比例是多少？哪里最有可能使用冰块或冰原？等等。这些问题需要进一步研究才能解决。