月球上找到水了嗎？

鄭永春，博士，中國科學院國家天文臺研究員，中國科普作家協(xié)會副理事長，青年科學家社會責任聯(lián)盟理事長，“科普中國”形象大使。

月球上有沒有水？如果有水，又是以什么方式存在的？一直以來，這些問題在學術(shù)界爭論不休。

月球存在水冰的設(shè)想最早是由美國科學家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他們認為，月球極地一些撞擊坑底部，可能處于太陽照射不到的永久陰影區(qū)，表層和次表層的溫度常年維持在零下233攝氏度到零下223攝氏度。原始月球脫氣作用產(chǎn)生的水，以及彗星撞擊月球攜帶至月表的水，在這樣的低溫條件下，很可能會以水冰的形式長期保存下來，逃逸進入太空的可能性很小。他們推測，月球兩極的深坑底部可能存在大量水冰。

在月球水冰設(shè)想提出后的30余年間，科學家進行了多方面的探索，直到上世紀90年代，都沒有找到月球有水的確鑿證據(jù)。在科學家持續(xù)不懈的努力下，過去的20多年來，月球找水獲得了一系列突破性進展。

阿波羅月巖中發(fā)現(xiàn)水

雖然前蘇聯(lián)科學家早在1978年就在月球24號的樣品中發(fā)現(xiàn)存在0.1%的水，但美國人根本不認可這一結(jié)果，他們認為所有的阿波羅樣品都不含水，前蘇聯(lián)人發(fā)現(xiàn)的水是因樣品保存不當導致的，其理由當然是阿波羅登月采集的月球樣品中沒有發(fā)現(xiàn)水。

然而，隨著精細分析技術(shù)的提高，阿波羅樣品不含水的結(jié)論在2008年被推翻了。華盛頓卡內(nèi)基學院的埃里克·霍利研發(fā)了二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)，能夠探測樣本中非常微量的元素，他們利用該技術(shù)成功發(fā)現(xiàn)地球熔融地幔中含有水。美國布朗大學的阿爾貝托·薩爾曾參與該研究，希望將該技術(shù)應(yīng)用在月球樣品研究上，他用3年時間才說服NASA提供研究經(jīng)費，并從阿波羅樣品中挑選了約40顆月球火山玻璃的珍貴樣品。薩爾的研究小組并沒有直接發(fā)現(xiàn)水，而是分析氫的含量，分析結(jié)果與地球地幔樣品中氫和水的分析結(jié)果相似，這說明月球內(nèi)部可能與地球的地幔一樣存在大量水。

接著，2010年3月，美國衛(wèi)斯理大學詹姆斯·格林伍德教授在阿波羅月巖中發(fā)現(xiàn)了微量水，最高含量可能只有千分之幾。研究人員利用電子微探針的粒子束轟擊磷灰石，可以計算出巖石樣本內(nèi)氟和氯的含量。根據(jù)磷灰石的計算公式，氟和氯的含量表明，要使得磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)趨于完整，還需另一種化合物。研究人員得出的結(jié)論是，這種化合物可能是氫氧化物——磷灰石和水分解后的產(chǎn)物。他表示這項研究證明月球巖石中的水并不是來自于地球。

近年來，隨著科學儀器的靈敏度和分析精度的顯著提高，科學家們相繼在月球樣品中發(fā)現(xiàn)氫或水，而且我們相信今后還將有類似證據(jù)表明月球樣品中含有氫或水，但這種氫或水存在于礦物品格內(nèi)，含量甚微，也極難提取，難以改變月球絕對干燥的結(jié)論。

雷達探測

由于目前發(fā)現(xiàn)月球上存在水的地區(qū)基本上都位于南北極的永久陰影區(qū)內(nèi)，這些地區(qū)由于地處高緯度，太陽每次基本上在地平線上劃過，光線不能照射到撞擊坑的底部，因此，可見光相機和其他需要依賴太陽光反射或激發(fā)的儀器都不能看到這些撞擊坑底部的景象。而雷達探測不依賴光照，可以對月球兩極永久陰影區(qū)進行成像，可望獲得撞擊坑底部的地形和水冰是否存在的確鑿證據(jù)。

1994年，美國發(fā)射克萊門汀號月球探測器。該探測器的雷達回波顯示，月球上可能有水。由于克萊門汀號的雷達探測結(jié)果受到爭議，印度月船一號探測器上搭載的微型合成孔徑雷達（Mini-SAR），采用了不同的工作方式，即發(fā)射左旋極化信號，接收水平極化和垂直極化的反射信號，這種工作方式可以保留反射信號的全部信息，從而明確判斷回波異常到底是由水冰-月壤混合物引起的，還是其他因素引起的。

微型雷達在月球北極發(fā)現(xiàn)了40多個大小不等（直徑大約1.6～15千米）的撞擊坑具有異常的回波特征。其中，約30個撞擊坑只有坑內(nèi)出現(xiàn)回波異常，坑環(huán)和外圍都沒有出現(xiàn)回波異常，推測是由于坑內(nèi)含有水冰引起的；另有11個撞擊坑的坑內(nèi)和外圍都出現(xiàn)回波異常，推測是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南極也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這說明，月球極區(qū)的這些撞擊坑內(nèi)很可能存在水冰。據(jù)初步估算，月球北極的30余個撞擊坑內(nèi)大約有6億噸水冰。而且，未來可能選址作為月球基地的南極休梅克撞擊坑內(nèi)，也發(fā)現(xiàn)了水冰。

根據(jù)雷達探測的原理，這些撞擊坑內(nèi)的水冰很可能是以大冰塊或冰層的形式存在，分布在10米厚的月壤層內(nèi)。

光譜探測

2009年10月，美國布朗大學卡爾·皮埃特斯等通過對月球礦物制圖儀獲得的近紅外光譜進行仔細研究，他們發(fā)現(xiàn)幾乎在月球所有緯度上都存在羥基（由1個氫原子和1個氧原子組成），或可能是水的光譜信號。

由于光譜探測只能感應(yīng)表面幾毫米的深度，因此，月球礦物制圖儀發(fā)現(xiàn)的水應(yīng)該存在于月表數(shù)毫米厚的月塵內(nèi)，含量甚微，與月球礦物以結(jié)晶水形式存在。按照地質(zhì)學的經(jīng)驗，結(jié)晶水與礦物之間的結(jié)合非常牢固，常常需要加熱到200攝氏度甚至更高的溫度才能釋放出來，這就解釋了為什么在白天溫度可以達到130攝氏度左右的月球中低緯度地區(qū)也檢測到了羥基信號。

中子探測

1998年，美國發(fā)射的月球勘探者號探測器的中子探測結(jié)果顯示，在月球兩極地區(qū)存在豐富的氫，據(jù)此推測，月球極區(qū)可能含有豐富的水冰。

與前面提到的月球勘探者號的中子探測原理相似，月球勘測軌道器上也搭載了一臺低能中子探測儀，通過記錄中子計數(shù)探測氫的含量，并進而證明水的存在。中子探測儀在月球撞擊坑內(nèi)的永久陰影區(qū)發(fā)現(xiàn)了豐富的氫（氫很有可能以水的形式存在）。

由于中子探測儀的探測深度為月球表層數(shù)米厚的月壤，因此這些“水”可能是以冰粒形式與月壤混合，即“臟冰”。但令人費解的是，在溫度較高、日照強烈的3個撞擊坑外圍地區(qū)，也發(fā)現(xiàn)了豐富的氫。

撞月探測

月球勘測軌道器的子衛(wèi)星——月球坑觀測和傳感衛(wèi)星（LCROSS），由牧羊航天器和半人馬座火箭2部分組成。2009年10月9日，約2.2噸重的半人馬座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞擊月球南極的凱布斯坑（Cabeus），牧羊航天器上的科學儀器有4分鐘時間探測撞擊濺射物，并把探測數(shù)據(jù)傳回地面控制中心。遺憾的是，LCROSS的撞擊規(guī)模和亮度都遠低于預計，地面和其他空間探測器上的觀測設(shè)備甚至沒能觀測到明顯的撞擊效果，與撞擊前的高調(diào)宣傳形成很大的反差。

而后，美國宇航局專門召開新聞發(fā)布會，宣布LCROSS的撞擊成功地證實月球上確實有水。據(jù)報道，半人馬座火箭撞擊產(chǎn)生的濺射物包括兩部分，一部分由密度較小的蒸汽和粉塵組成，在撞擊后騰空而起；另一部分由密度較大的巖石塊和顆粒組成，撞擊后向四周拋射。在這次不甚成功的撞擊后，科學家團隊頂著壓力，幾乎夜以繼日地分析牧羊航天器傳回的大量數(shù)據(jù)。研究重點集中在光譜儀的探測數(shù)據(jù)，這是月球上存在水的重要證據(jù)。

科學家們首先排除了半人馬座火箭污染月表的可能性，接著他們用水和其他物質(zhì)已知的近紅外光譜信號，同LCROSS近紅外光譜儀在撞擊中獲得的光譜信號進行對比，發(fā)現(xiàn)只有月壤與水的混合光譜，才與LCROSS獲得的光譜相似。而月壤與任何其他含羥基化合物的混合光譜，都無法與LCROSS的觀測結(jié)果相匹配。有多重證據(jù)表明，水同時存在于上述兩部分濺射物中。雖然水的濃度和分布還需進一步分析，但可以確定的是，凱布斯坑中有水。

結(jié)論

最后，讓我們回到最初的問題，月球上找到水了嗎？迄今，人類已在多次任務(wù)中以不同的探測方式獲得了極區(qū)永久陰影區(qū)中存在水冰的證據(jù)。部分專家認為，目前基本上可以證實月球上確實有水。但是，最終的結(jié)論還需要通過派遣機器人或航天員，進行實地鉆探取樣以證實水冰的存在和含量。

科學家沒有停止努力。極區(qū)將成為未來月球探測的重點區(qū)域，通過在月球上找水，將為建設(shè)月球基地提供潛在的水資源。