月球“找水”又有新發(fā)現(xiàn) 地球風(fēng)也是月表水成因之一

通過比較進入磁層之前、期間和之后月表水含量的變化，山東大學(xué)空間科學(xué)研究院的研究團隊證實了地球風(fēng)(主要是來自地球大氣層的氧、氮、氫等離子)可以補充月表蒸發(fā)的水。因此，除了太陽風(fēng)，地球風(fēng)同樣可以與月球表面物質(zhì)相互作用而生成水。

月球是距離地球最近的天體。長久以來，月球都被認(rèn)為是人類最可能實現(xiàn)星際移民的理想地點。雖然早在20世紀(jì)60年代，人類就已踏足月球表面，但若想實現(xiàn)月球移民，甚至建立月球基地，還有一個十分重要的資源問題需要解決——水。

月球上是否存在水?1961年，美國科學(xué)家肯尼思·沃森等人率先提出了月球可能存在水冰的設(shè)想。幾十年來，科學(xué)家一直在尋找月球水存在的證據(jù)及其可能的來源途徑。近日，一篇發(fā)表在《科學(xué)報告》的研究文章指出，從地球上層大氣逃逸的氫和氧離子，或在月球上結(jié)合，成為月球上已知水冰的可能來源之一。

目前，月球水已然成為國內(nèi)外行星科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。月球水既具有重要的科學(xué)意義，也蘊含著潛在的應(yīng)用價值，對其展開研究不僅有助于理解月球演化歷史，更有助于未來月球科研站、月球基地等的建設(shè)，為動植物生存、火箭燃料等提供關(guān)鍵資源。

巨大的溫差讓月表沒有液態(tài)水

與地球不同的是，月球本身沒有全球性磁場，也沒有濃密大氣的保護，其表面直接暴露在極端溫度和惡劣的太空真空環(huán)境之中。此外，月球表面的平均溫度可以從白天的約100攝氏度，下降到夜晚的零下150攝氏度左右，如此大的溫差使得液態(tài)水無法穩(wěn)定存在。因此，此前人們普遍認(rèn)為月球如同沙漠一般干燥無水。

但隨著觀測研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球極區(qū)有些撞擊坑底部的永久陰影區(qū)，終年不受太陽光照射，溫度極低，在真空條件下，水冰可能穩(wěn)定存在。

20世紀(jì)90年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“克萊門汀”號探測器上雷達(dá)在月球南極永久陰影區(qū)的回波存在異常;NASA“月球勘探者”號探測器上的中子譜儀顯示月球永久陰影區(qū)有大量的氫。

昏暗無光的永久陰影區(qū)，聚集了尋找月球水的目光。科學(xué)家希望能夠在月球永久陰影區(qū)找到月球水存在的證據(jù)。

2010年，美國的衛(wèi)星撞擊月球的永久陰影區(qū)，在濺射的塵埃中發(fā)現(xiàn)了大量的水冰，證實了月球水的存在。2020年，美國國家航空航天局(NASA)首次通過望遠(yuǎn)鏡觀測證實月球表面存在水;2022年1月，我國嫦娥五號月球著陸器首次獲得月表原位探測數(shù)據(jù)，月球存在水從此有了“現(xiàn)場證據(jù)”。

如今，科學(xué)家已經(jīng)通過月球遙感探測、返回月球樣品分析以及撞擊實驗等多種研究手段，發(fā)現(xiàn)了月球水主要以3種形式存在：兩極永久陰影區(qū)的水冰、部分區(qū)域來自月球內(nèi)部的巖漿成因水以及以羥基或水分子形式遍布月球的月表水。

月球水有內(nèi)外兩種可能來源

雖然已有種種“實錘”表明了月球水的存在，但這些水究竟是怎么來的，目前還沒有一個定論。科學(xué)家認(rèn)為，月球水有兩種可能的來源，即來自月球內(nèi)部和外部。具體而言，月球水可能來自月球內(nèi)部的巖漿，或來自外部太陽風(fēng)轟擊，彗星、流星體和微流星體的撞擊等。

關(guān)于月球巖漿水，此前科學(xué)家在分析阿波羅月球樣本時就曾發(fā)現(xiàn)巖漿水，但當(dāng)時科學(xué)家一直以為是樣本受到了地球“污染”。2013年8月，美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究人員利用印度“月船一號”探測器上攜帶的月球礦物繪圖儀，對位于月球赤道附近的布利奧隕坑進行成像分析，發(fā)現(xiàn)布利奧隕坑中心峰含大量氫氧基。研究人員認(rèn)為這是布利奧隕坑含有月球深部巖漿水的直接證據(jù)，表明月球在形成之初就有可能存在水。

2011年，科學(xué)家對阿波羅飛船帶回的月球表面巖石標(biāo)本進行了分析。他們重點測量了標(biāo)本中一類名為磷灰石的礦物所含的氫同位素組成比例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其組成比例與3個已知彗星中的氫同位素組成比例接近。由此研究人員認(rèn)為，彗星是月球上水的主要來源之一。

不過，月球的紅外光譜數(shù)據(jù)表明整個月球的表面都存在水，并且月球在早晨和晚上溫度較低時水含量較高，在中午溫度較高時水含量較低。而月球內(nèi)部巖漿水，以及來源于彗星和流星體的水，在月球表面分布較為分散，并不能完全解釋整個月球表面都存在水以及水的日間變化特征等。

所以，目前的主流理論認(rèn)為，來自太陽的太陽風(fēng)包含著帶正電的氫離子，它們持續(xù)轟擊月球表面，與月表物質(zhì)中的氧原子結(jié)合，生成了分布在全月球的羥基或水分子。這一理論能夠很好地解釋已被觀測證實的月球水日間變化等現(xiàn)象，同時也得到了阿波羅月球樣品氫同位素分析和氫離子轟擊實驗的證實。

科學(xué)家認(rèn)為，太陽風(fēng)生成的水在太陽光照的加熱下“蒸發(fā)”，其中一部分遷移并沉降到溫度極低的兩極永久陰影區(qū)，經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代，兩極儲藏了大量水冰。

因此，太陽風(fēng)被認(rèn)為是月球水的主要來源之一。

地球風(fēng)也是月表水的成因之一

不過，月球并不總是“沐浴”在太陽風(fēng)中，每月還有3—5天位于地球磁尾中。滿月前后2—3天內(nèi)，月球位于地球磁層內(nèi)，屆時太陽不再轟擊月表生成水，先前由太陽風(fēng)產(chǎn)生并蘊藏于月表的水，在太陽光照的加熱下會大量“蒸發(fā)”。所以，理論上月表的水應(yīng)該相應(yīng)地有所減少。

然而出乎意料的是，山東大學(xué)空間科學(xué)研究院的研究團隊在分析“月船一號”探測器獲得的數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，月球位于地球磁層內(nèi)時，月球表面的水卻并未顯著減少。通過比較進入磁層之前、期間和之后月表水含量的變化，研究團隊證實了地球風(fēng)(主要是來自地球大氣層的氧、氮、氫等離子)可以補充月表蒸發(fā)的水。因此，除了太陽風(fēng)，地球風(fēng)同樣可以與月球表面物質(zhì)相互作用而生成水。

此前，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授宗秋剛發(fā)現(xiàn)地球磁層中有氧離子向月球方向運動;在此次最新研究中，研究人員從重力異常的角度分析，地球風(fēng)轟擊月球表面形成的水，可能通過各種地質(zhì)過程儲存在月球兩極。

為何科學(xué)家如此“執(zhí)著”追尋月球水的來源?要知道，水在類地行星的地質(zhì)演化中，具有舉足輕重的作用。探明月球水的來源，或能幫助科學(xué)家揭示月球的身世之謎。

月球大撞擊成因理論認(rèn)為，月球是由地球與一個火星大小的天體發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的熾熱碎片形成的。在這個形成過程中，由于高溫及劇烈活動，在月表形成了一個全球性的巖漿洋。不過，也正是由于高溫，科學(xué)家認(rèn)為月球上的揮發(fā)分大量流失，月球水就是在這時全部蒸發(fā)，即月球在巖漿洋階段，基本是不含水的。而在月球火山玻璃、磷灰石以及橄欖石熔體包裹體中探測到的水，被認(rèn)為是在月球巖漿洋結(jié)晶后，月球發(fā)生部分熔融，由隕石、彗星以及太陽風(fēng)注入到月球內(nèi)的。因此，了解月球水的來源，關(guān)系到人類對于月球成因及其動力學(xué)演化的認(rèn)識。

此外，對于月球水來源的不斷探究，使科學(xué)家能夠更加深入地理解太陽系中水的演化，以及太陽及其磁層活動對于行星—衛(wèi)星系統(tǒng)的影響。太陽系中其他行星系統(tǒng)中也可能存在類似的物質(zhì)輸運“通道”，例如火星大氣逃逸的氧、碳、氮等成分，其中一些就可能會到達(dá)火衛(wèi)一的表面。那么，火衛(wèi)一上是否也有可能存在水?其他天體系統(tǒng)有沒有類似的機制?我們是否可以通過這種機制尋找宇宙中的水，甚至是地外生命?這些都有待于科學(xué)家進一步研究證實。

(作者系山東大學(xué)空間科學(xué)研究院博士后 王慧姿)

關(guān)鍵詞： 尋找月球水 月表水成因 月球遙感探測 兩極永久陰影區(qū)水冰