在月球，找水三十年

9.18‍‍‍‍‍‍‍

知識分子

The Intellectual

圖源：Pixabay

水冰、羥基、水分子，過往三十年多年裡，當一個又一個探測器、着陸器掠過月球，數據與原料不斷傳回，科學家們孜孜不倦，“乾燥無水”的月球逐漸向我們展示它的另一面。

事請是從什麼時候發生了轉機？是克萊門汀號在月球南極上空的一瞥，還是現代離子探針技術精度和靈敏度的提升，是SOFIA更寬譜段的光譜儀在月球高緯對水分子的精準定位，還是嫦娥5號更新鮮的樣品返回？

撰文｜林紅磊中國科學院地質與地球物理研究所副研究員

堯中華香港大學副教授

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跌宕起伏的月球找水歷程

1994年，美國的“克萊門汀號”航天器奔向月球，這是美國在“阿波羅”登月時代之後時隔21年第一次專門的月球探測任務。

與以往的阿波羅採樣返回任務不同，這次是環繞月球進行全球的詳細調查。它攜帶了一套雷達觀測系統，目的是通過與地球上深空網絡接收器的配合尋找月球兩極存在水的證據。

1996年，美國國防部宣佈“克萊門汀號”的數據顯示月球南極一個永久陰影區隕石坑底部有水冰沉積（Nozette, et al., 1996, Science），該沉積物的體積約爲 6萬至12萬立方米，相當於一個四個足球場面積、5 米深的小湖。這個發現將月球水的研究重新拉回了人們的視線。

爲什麼說是“重新”呢？其實人類對月球上有沒有水這件事一直充滿無限遐想。自從1609年伽利略發明望遠鏡可以比人眼更清楚地觀察月球之後，天文學家發現月球表面主要有白色和黑色兩種截然不同的區域。他們認爲月球上黑色的區域可能被液態水覆蓋，因此用“海”“洋”“溪”“灣”等描繪水系形態的字、詞來命名月表的黑色區域（魏勇等, 2024, 中國科學院院刊）。到了20世紀中葉，科學家通過數值模擬展示了水蒸氣在地質時間尺度上是可以困於永久陰影區的。1969至1976年美國“阿波羅”和蘇聯“月球”任務從月球採集了大量的樣品並返回地球，終於讓人們有機會直接測量月球樣品中的水含量。但遺憾的是，分析結果顯示月壤很乾，測量到的微量水無法排除地球大氣的污染。同時，宇航員留在月球表面探測大氣的儀器也無法探測到水，這似乎讓“月亮是乾的”成爲了一個事實。這也催生了月球大碰撞理論的形成。

“克萊門汀號”航天器的雷達探測結果無疑是釋放了一個積極的信號！然而，阿雷西博地基射電望遠鏡的觀測結果進一步顯示，即使在沒有永久陰影的區域（水冰無法保存），也有類似的雷達信號，可能是由於表面粗糙度等其他因素造成的（Stacy, et al., 1997, Science）。月球極區是否有水冰的問題再一次陷入了迷霧當中。

水的組成元素是氫和氧，測量月球氫的含量可能是探測水的一個方式。因此，1998年“月球勘探者號”攜帶了一臺中子譜儀用於測量月球氫的分佈，在兩極看到了大量的氫富集（Feldman et al., 1998, Science）。月球又有水了？月球是否有水的爭論一直持續到2008年。

2008年，對月球找水這件事來說是極其不尋常的一年，這一年有兩件大事。第一件事是印度的“月船一號”航天器攜帶美國的“月球礦物學繪圖儀”進入月球軌道，這是第一臺可以直接測量月球羥基/水分子的光譜儀。

很快，負責這臺光譜儀的布朗大學的Carle Pieters教授團隊從數據當中發現了明顯的羥基/水分子的信號，特別是在月球中高緯度。這讓Carle Pieters教授的團隊非常興奮，但又非常吃驚：怎麼會有這麼強的水信號？是不是儀器校準出了什麼問題？他們花了幾個月的時間檢驗數據，最終認爲這些信號是真實有效的（Pieters et al., 2009, Science）。

爲了進一步確保確實探測到了水，團隊請求當時正前往彗星的探測器“深度撞擊號”回頭對月球進行了光譜測量（Sunshine et al., 2009, Science），並翻出了前往土星的“卡西尼號”航天器在1999年飛掠月球時的光譜觀測數據進行了重新分析（Clark, 2009, Science），交叉證實了月球水的信號是真實的。

與此同時，地面上也有了新的重大突破，這便是第二件事。

同樣是來自布朗大學的Alberto Saal教授團隊，花了三年時間，利用離子探針技術（SIMS）重新分析了阿波羅月壤中的火山玻璃（火山噴發的產物），發現了高達50 ppm的水（Saal et al., 2008, Nature），以確鑿的證據挑戰了“月球無水”的傳統觀點。離子探針技術20世紀50年代就已經出現了，是用高能離子束轟擊樣品表面釋放氫離子，然後進行測量。

該技術也被用於早期月壤的分析當中，但是空間分辨率和靈敏度比較低。隨着離子源和探測器技術的改進，現代SIMS技術能夠檢測低至5 ppm（百萬分之五）的水含量，技術進步使得準確測量月壤中的水成爲可能。Alberto Saal主要是做地球內部成分研究的，來到布朗大學後開始向月球和行星拓展，當他提出要研究“月球內部是否存在水”這個課題時，他的同事們警告他說從現有月球樣品中發現新信息的可能性不大。但他並沒有因此放棄，在現代先進技術的加持下，最終獲得了巨大成功，他將這一成功歸因於他在行星科學領域缺乏經驗，沒有受到固定思維的影響。

2009 年，美國的“月球隕石坑觀測和傳感衛星任務（LCROSS）”進行了月球極區的撞擊實驗，對撞擊濺射物的觀測分析結果證實了水的存在（Colaprete et al., 2010, Science）。自此，月球有水成爲了一個普遍的共識。

實驗室樣品分析和遙感觀測提供了月球有水的證據，但證據鏈中還缺少一環，那就是月面的實地測量結果。中國的嫦娥五號探測器於2020年12月1日成功着陸在了月球中緯度地區，這是1976年之後人類再一次的採樣返回任務，並且攜帶了月球礦物光譜分析儀，在採樣過程中獲取了月表的光譜，就像我們在月球上出了一次“野外”，第一次在月表如此近距離、高分辨的探測到了水的信號（Lin, Li, Xu et al., 2022, Science Advances; Liu et al., 2022, Nature Communications），提供了月球有水廣泛分佈的又一鐵證。

嫦娥五號樣品返回地球之後，引起了科研人員極大的研究熱情，特別是對於月壤中水的研究。因爲與之前的月球採樣任務（即美國“阿波羅”和蘇聯“月球”）相比，嫦娥五號月壤來自更高的緯度，而且更年輕，與人類現有的月壤樣品完全不一樣，非常珍貴。截至目前，國家航天局已向國內131個研究團隊發放7批次共85.48克科研樣品，平均算下來每個團隊僅獲得幾百毫克樣品。利用這麼少量的樣品，科研人員採用納米離子探針技術和紅外光譜技術，在月壤中發現了較高含量的水（Xu, Tian et al. , 2022, PNAS; Zhou et al., 2022, Nature Communications）。

水主要都儲存在哪裡了呢？研究人員在排除了多種可能性後將目光轉向了嫦娥五號月壤中的撞擊玻璃珠。這是一種此前很少被關注的樣品，因爲這一類型的樣品“身世普通”，是月壤在被隕石撞擊熔融的產物。這一過程伴隨着對原始岩石的混合改造，致使其不能像“火山玻璃”一樣反應月球內部的信息，因此早期少有人問津。但撞擊玻璃在月壤中的數量相當豐富。得益於納米離子探針分析技術的超高空間分辨率，科研人員獲得了嫦娥五號月壤撞擊玻璃珠的準確水含量，確認了撞擊玻璃珠是一個月球水的重要儲庫，具備維持月表水循環的能力和潛質（He et al., 2023, Nature Geoscience）。隨着對月球水認知的深入，月球水循環的研究逐漸成爲重點。

我們談論的月球水是什麼？

說到水，人們首先想到是：能喝嗎？當我們說月球上有水時，我們指的不是海洋、湖泊，而是指存在於月壤顆粒結構中的水分子和羥基（OH），或者存在於極區永久陰影區中的水冰。其中，水冰是指許多水分子組成的固體物質，通常呈六方晶型，而羥基/水分子在月球上通常與礦物結合，賦存在礦物結構中。

實驗室離子探針技術測定的是氫含量，進而換算成水的含量，並不考慮水到底是以羥基還是水分子抑或是氫形式存在的。“月船一號”和“嫦娥五號”的光譜儀由於波長範圍窄，也無法區分羥基和水分子。

2011年，研究人員聯合離子探針和傅立葉紅外光譜技術在阿波羅月壤中直接測量到了月壤中的羥基水（Liu et al., 2011, Nature Geoscience）。2020年，美國的平流層紅外天文觀測站（SOFIA）利用更寬譜段的光譜儀檢測到永久陰影區之外可以相對穩定存在的分子水, 首次證實了月球表面存在分子水（Honniball et al., 2021, Nature Astronomy），這一重磅消息點燃了人們對月球水資源利用的希望，因爲分子水相比於羥基更容易利用。但是在月壤樣品中還沒有發現明確的分子水存在的證據。對嫦娥五號樣品的研究發現撞擊玻璃中含有更高的水含量（He et al., 2023, Nature Geoscience），那在撞擊玻璃裡面存在分子水的概率會不會更大呢？帶着這個問題，科研人員對嫦娥五號樣品的12個撞擊玻璃珠進行了詳細的測量，探測到了分子水的信號，發現撞擊玻璃中的水有20%-35%是分子水（Zhou, Mo et al., 2024, Science Advances）。

月球的這些水來自於哪裡？這個問題主要是靠氫同位素來回答。氫主要有氕（H）、氘（D）穩定同位素，質量依次增加。通過測量樣品中氘/氕（D/H）比然後與可能目標來源對比，就可以確定水從哪兒來的。如果D/H值較低，類似於太陽，則說明水是由太陽風帶到月球的；如果D/H值較高，類似於彗星，則說明水可能是由彗星撞擊帶到月球的；如果D/H值接近於地球，排除掉地球影響，則是月球本身的水；如果D/H值介於地球和彗星中間，則可能是由含水小行星帶到月球的。當然，有時候測到的D/H比是多個來源混合的結果，這時候需要結合其它同位素，比如碳、氮等，來進一步確定水的來源問題。通過對月壤顆粒的氫同位素測量，已經找到了水來自月球內部、太陽風注入和小行星/彗星撞擊等多來源的證據（Saal et al., 2008, Nature; Greenwood et al., 2011, Nature Geoscience; Liu et al., 2011, Nature Geoscience; Barnes et al., 2016, Nature Communications），甚至在嫦娥五號樣品的撞擊玻璃中同時發現了這幾種來源（He et al., 2023, Nature Geoscience；Zhou, Mo et al., 2024, Science Advances），從而增加了月球水源問題的複雜性。

爲了能更具統計意義的確定水的主要來源，科研人員對嫦娥五號的大量樣品進行了分粒度的光譜分析，提供了太陽風是月壤水最主要來源的證據（Lin et al., Science Bulletin, 2024）。基於遙感光譜所獲得月表水含量的變化規律，也指示了水的不同來源。月表水含量具有日變化，早晚高中午低，說明了水的太陽風來源，因爲只有太陽風可以快速補充中午因爲溫度高而丟掉的水（Li & Milliken, 2017, Science Advances; Wöhler et al., 2017, Science Advances）；有一些區域水含量異常的高，結合地形地貌特徵，確定了月球內部水的存在（Klima et al., 2013, Nature Geoscience; Milliken & Li, 2017, Nature Geoscience）。極區水冰也可能是太陽風成因水通過擴散和遷移，最終在月球極區的永久陰影區冷凝並形成的（Pieters et al., 2009, Science），LCROSS元素數據的分析指示了彗星撞擊也是一個合理的來源（Mandt et al., 2022, Nature Communications）。

當然，由於月球每個月會有接近三分之一的時間處在地球磁層當中，所以也不能排除掉地球風對月球水的貢獻（Wei et al., 2020, Geophysical Research Letters; Wang et al., 2021, Astrophysical Journal Letters; Li et al.,2023, Nature Astronomy）。月球水來源的問題極其複雜，需要更多區域的樣品、更多的觀測和更深入的分析來獲得進一步的認識。值得指出來的是，太陽風和地球風既是月球水的來源，同時又是我們對月球進行有人和無人探測任務需要直接面對的空間輻射環境，對其輻射特徵及變化機理的研究是月球任務的重要保障之一，因此同樣值得重點關注。

有多少水，能不能用，是人類未來建立月球基地和長期駐留更關心的問題。這個問題根據水在月球的存在狀態要從兩個方面來講。首先是極區，因爲溫度低，理論上儲存了相對其他區域更高含量的水，以髒冰（與月壤混合）的形式存在於永久陰影區中。LCROSS任務通過撞擊月球南極的永久陰影區，分析撞擊產生的羽流，檢測到撞擊點含有約5.6 wt.%的水冰（Colaprete et al., 2010, Science）。紅外光譜的探測也得到了相似的結果，並發現在一些水冰信號比較純的區域，水冰含量甚至可以達到30 wt.%（Li et al., 2018, PNAS）。極區的水冰也是目前最具利用潛力的月球資源，也是目前世界各國探測的重點，科研人員提出了加熱開採、加熱鑽取等設想來提取水冰，但由於低溫、低重力、無光照等環境的複雜性，距離實現這一目標還有很長的路要走。開採後還要考慮分離提純、儲存等問題。

另外一方面就是月壤中的水，這種水是存在於礦物結構中的，水含量只有幾十到幾百個ppm（一噸月壤中有幾十到幾百克水），比沙漠還要幹。以嫦娥五號採樣區爲例，一噸月壤中最多有120克水（Lin, Li, Xu et al., 2022, Science Advances），不過這也跟緯度相關，在更高的緯度甚至可以達到500-750克（Li & Milliken, 2017, Science Advances）。月壤中水主要來自於太陽風注入，由於細顆粒月壤的比表面積更大所以水含量會比粗顆粒高，粒度篩選可能是在中低緯度利用月壤水的一種方式。1000立方米的細粒月壤（小於45微米）中可以提取出108公斤的水，如果可以篩的更細，小於10微米的1000立方米月壤中可以提取出840公斤的水（Lin et al., Science Bulletin, 2024）。另外，月球的火山碎屑區域保存了大量的水，可以達到500 ppm（Milliken & Li, 2017, Nature Geoscience）。但是，從月壤中提取這些水需要更高的加熱溫度，如何有效率的獲得最大的投入產出比是一個挑戰。

雖然月球水的利用存在諸多困難，但目前相關的原理樣機都已經開始研製，隨着技術的進步，相信不久的將來宇航員就能喝到月球的水了，甚至火箭燃料都可以用月球水來製作。

何去何從

水是生命之源，其重要性不言而喻。在月球演化過程中，水也是起到了非常關鍵的作用。新一輪的月球探測從純科學探索向科學研究與應用並重轉變，提出了“月球村”、“月球科研站”等未來的規劃，水作爲重要的資源也受到了更多的重視。月球水將在未來太空探索中扮演重要角色，爲人類文明走向太空奠定重要基礎。目前對於月球水的時空分佈仍存在爭議，獲取月球高精度、高分辨率的水含量及其分佈是未來探測的重點內容。

我國“嫦娥七號”和“嫦娥八號”都將在月球南極進行詳細探測，特別是極區水資源的探測，在2030年前後將構建出國際月球科研站的基本框架。載人探月也已經提上日程。美國的“阿爾忒彌斯計劃”將繼“阿波羅”任務之後再次實現載人登月，在月球南極進行調查、實驗和採集樣品，建設基地支撐人類在月球表面的長期活動。美國還計劃發射一項小型探測任務“月球開拓者號”，通過環繞探測專門研究水在月球上的分佈情況。此外，歐洲、日本、印度、韓國等國家也將月球水的探測作爲重要內容。要想利用月球水，我們首先需要更清楚的瞭解月球水，這就需要更多精細的觀測數據。月球具有無大氣、便於抵近連續運行的軌道優勢，基於此，科研人員提出了“近月軌道星座化”的方案，以實現近月軌道（30 千米以下）的連續高分測量，有利於我們掌握關於月球水的前所未有的準確信息（魏勇等, 2024, 中國科學院院刊）。

本文轉載自《知識分子》微信公衆號

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