月球?qū)に?：從“月海”到水冰

一直以來(lái)，人們都在致力于尋找月球上水存在的證據(jù)。近年來(lái)，隨著探測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)分析水平的提高，月球?qū)に氖斋@頗豐。日前，科學(xué)家首次直接觀察到月球表面存在水冰的確切證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)讓人們對(duì)于如何更好地利用月球資源以及建立月球基地產(chǎn)生了更多期待。

緣起——人類對(duì)月球存在水的美好憧憬

月球作為我們的近鄰，也是自古以來(lái)被人類觀察最多的星球，人類一直寄希望于月球上有水的存在。很早以前的古希臘人，就在通過(guò)肉眼觀察月球表面時(shí)，想象著那些看起來(lái)暗一些的區(qū)域可能是海洋，而亮一些的區(qū)域則是陸地。

當(dāng)17世紀(jì)初望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以后，天文學(xué)家便不再僅僅用肉眼觀察星空，而是借助望遠(yuǎn)鏡對(duì)夜空的天體進(jìn)行更為細(xì)致的觀察。哈里奧特和伽利略等人在用望遠(yuǎn)鏡觀察我們的近鄰月球時(shí)，發(fā)現(xiàn)月球表面有一些大小不等的暗色區(qū)域，按照當(dāng)時(shí)人類對(duì)于地球的認(rèn)識(shí)，他們猜測(cè)那些反光弱的暗區(qū)是月球上的海洋，就用拉丁文“maria”（海）來(lái)稱呼，同時(shí)把相對(duì)比較光亮的地方，稱之為月陸。

我們知道，由于潮汐鎖定，月球始終只有一面對(duì)著我們，這一面中約有三分之一是早期天文學(xué)家眼中的月海。1651年，來(lái)自意大利耶穌教會(huì)的兩位天文學(xué)家繪制了較為詳細(xì)的月面圖并命名了許多的月貌特征，其中不僅有月海，還有小的月湖、月灣和月沼，足以說(shuō)明當(dāng)時(shí)天文學(xué)家對(duì)于月球上有水的無(wú)限期待。雖然現(xiàn)在我們知道在月球表面存在液態(tài)水的概率微乎其微，更別說(shuō)江河湖海了，那些看起來(lái)稍顯暗淡的區(qū)域其實(shí)是月球表面地勢(shì)較低的平原，但三百多年前命名的那些月海已經(jīng)成為一種習(xí)慣稱呼，絕大多數(shù)依然被沿用至今。

月球兩級(jí)水冰（藍(lán)色）分布圖

歷史——對(duì)于月球是否有水存在的科學(xué)探索

如果說(shuō)月海的命名是人們對(duì)于“月球表面跟地球一樣充滿液態(tài)水”的美好幻想的話，那么1961年加州理工大學(xué)沃森等人提出的“水冰可能長(zhǎng)時(shí)間存在于月球永久陰影區(qū)域”的觀點(diǎn)，則更多的是基于科學(xué)認(rèn)知和分析計(jì)算后的合理推測(cè)。

美國(guó)“阿波羅”登月宇航員帶回了大量月球巖石和土壤標(biāo)本，科學(xué)家從中檢測(cè)到了微量水的痕跡，但經(jīng)過(guò)測(cè)定，其中氧的同位素比率與地球上氧的同位素比率相近，科學(xué)家無(wú)法加以區(qū)分，所以當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)觀點(diǎn)都認(rèn)為這些水的痕跡是被地球污染的結(jié)果。

1976年，前蘇聯(lián)“月球24號(hào)”探測(cè)器挖取了月表下2米深處的月球樣品，幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)順利帶回了位于莫斯科的實(shí)驗(yàn)室。隨后三位蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)表了一篇俄文論文，宣布在這170克樣品中發(fā)現(xiàn)了0.1%含量的水。他們聲稱雖然在檢測(cè)過(guò)程中采取了一切可能的措施避免實(shí)驗(yàn)室中水蒸氣對(duì)于樣品的污染，但是依然不敢擔(dān)保這一結(jié)果絕對(duì)沒(méi)有遭到任何污染。

1994年發(fā)射的“克萊門汀號(hào)”月球探測(cè)器，在對(duì)月球南極陰影區(qū)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)時(shí)，接收到的部分雷達(dá)回波的強(qiáng)度和極化性質(zhì)與干燥的巖石土壤回波性質(zhì)不同，呈現(xiàn)出與揮發(fā)性冰類似的特征，當(dāng)然也有可能是甲烷或者其他固態(tài)揮發(fā)物。

與雷達(dá)探測(cè)不同，1998年發(fā)射的“月球勘探者號(hào)”探測(cè)器，則攜帶了可以測(cè)量氫含量的中子探測(cè)儀，試圖從另一個(gè)角度探尋水的痕跡。它也的確在月球兩極地區(qū)，尤其是北極探測(cè)到了較為豐富的氫。當(dāng)然氫的富集可能是水，亦有可能是其他含氫物質(zhì)造成的，所以基于這一結(jié)果科學(xué)家還是無(wú)法確切證明水的存在。

十年后，美國(guó)又一并發(fā)射了“月球勘測(cè)軌道器”和“月球坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星”，前者對(duì)月球整體進(jìn)行更為細(xì)致的研究（包含一個(gè)類似“月球勘探者號(hào)”的中子探測(cè)設(shè)備），而后者專門負(fù)責(zé)撞月找水，各司其職的兄弟倆又有了許多新的發(fā)現(xiàn)。其中“月球坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星”在撞擊南極永久陰影區(qū)的一個(gè)隕石坑后，通過(guò)對(duì)撞擊過(guò)程中大量數(shù)據(jù)尤其是光譜數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，科學(xué)家在撞擊濺起的蒸汽和粉塵，以及個(gè)頭較大的碎石顆粒中，都探測(cè)到了含有水的特征，從而間接證實(shí)月球極區(qū)的永久陰影區(qū)里確實(shí)有水。至于這些水是來(lái)自于月表還是月下更深處，它們到底是什么存在形式，當(dāng)時(shí)還無(wú)法定論。

值得一提的是，印度于2008年底發(fā)射的“月船1號(hào)”，上面搭載的諸多探測(cè)設(shè)備都為月球?qū)に峁┝烁鄬氋F數(shù)據(jù)。2009年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的文章，就宣布在較為寒冷的高緯度地區(qū)和許多隕石坑中，都發(fā)現(xiàn)了大量羥基或是含水礦物質(zhì)的吸收特征，但科學(xué)家依然無(wú)法對(duì)上述兩種水的具體存在形式加以區(qū)分。也就是說(shuō)，科學(xué)家通過(guò)上述種種探測(cè)研究，得到的都是月球上有水存在的間接證據(jù)，并沒(méi)有找到百分百的直接證據(jù)。

印度發(fā)射的“月船1號(hào)”探測(cè)器

當(dāng)下——月表存在水冰的直接證據(jù)

2018年8月20日，夏威夷大學(xué)的李帥所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章宣布，他們首次在月球表面發(fā)現(xiàn)了水冰存在的直接證據(jù)！而這一結(jié)論所基于的數(shù)據(jù)，就是上面提到的，十年前發(fā)射的“月船1號(hào)”上攜帶的月球礦物繪圖儀。

李帥團(tuán)隊(duì)重新分析了波長(zhǎng)范圍在0.46～2.98微米（1米的一百萬(wàn)分之一）的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)了細(xì)致巧妙的分析和充分論證后，他們確認(rèn)了多處水冰存在的位置，并繪制了月球兩級(jí)水冰的分布圖。雖然他們找到了月球表面水冰存在的確鑿證據(jù)，但是目前的研究發(fā)現(xiàn)這些水冰不僅分布范圍較少（只暴露在大約3.5%的陰影區(qū)域），而且還與大量的其他雜質(zhì)混合在一起，純度也不高。如此稀疏的覆蓋和異質(zhì)性表明，這種月球水冰與其他無(wú)大氣巖石世界（例如水星和谷神星）極區(qū)中發(fā)現(xiàn)的大量高純度水冰有著截然不同的產(chǎn)生演化歷史。當(dāng)然了，由于月球礦物繪圖儀只能探測(cè)月表很淺層的區(qū)域，那這之下是否有更多水冰的存在，那里水的純度是否會(huì)更高，這些問(wèn)題都值得科學(xué)家們進(jìn)一步分析研究。

未來(lái)——水冰存在可以更好地利用月球資源

月球作為距離我們最近的星球，雖然受限于環(huán)境的特殊性，我們無(wú)法大量移民到月球居住生存，但是月球僅有地球六分之一的表面重力是作為太空中轉(zhuǎn)基地的理想場(chǎng)所，以月球作為跳板，發(fā)射航天器會(huì)節(jié)省很多燃料獲得更大的推力，從而助力未來(lái)人類航天器飛向更加遙遠(yuǎn)的宇宙深處。此外，月球上大量的氦-3資源也同樣等待著人類去建立基地開(kāi)發(fā)利用。

月球上水冰的存在或?qū)⒊蔀槲磥?lái)建立月球基地時(shí)降低成本的重要因素，畢竟相比于從地球通過(guò)航天器運(yùn)輸水（或氫氣和氧氣）到月球，直接在月球上就地取材無(wú)疑是更加理想的方式。

雖然這次直接發(fā)現(xiàn)的月表水冰含量并不大，但科學(xué)家也寄希望于月表下更深處會(huì)貯藏著更多的水冰。如果未來(lái)調(diào)查發(fā)現(xiàn)含量特別大，人類可以在月球上直接設(shè)法開(kāi)采這些水冰，為直接飲用甚至可能種植的農(nóng)作物提供液態(tài)水；也可以通過(guò)配備太陽(yáng)能電池板或核發(fā)電機(jī)將水分解為氧氣和氫氣，供給人類呼吸以及作為火箭燃料使用。不僅如此，水冰中的氫也可用于提取月球土壤中的氧化物，進(jìn)而獲得更多的氧氣。

總之，這次月球表面發(fā)現(xiàn)水冰的確鑿證據(jù)，必將帶來(lái)科學(xué)家研究月球和未來(lái)利用月球資源的新熱潮，或許不久的將來(lái)，宇航員就可以在月球上建立基地，并利用月球上的水冰進(jìn)行生活和工作。讓我們期待那一天早日到來(lái)！