9.18
知识分子
The Intellectual
图源：Pixabay
水冰、羟基、水分子，过往三十年多年里，当一个又一个探测器、着陆器掠过月球，数据与原料不断传回，科学家们孜孜不倦，“干燥无水”的月球逐渐向我们展示它的另一面。
事请是从什么时候发生了转机？是克莱门汀号在月球南极上空的一瞥，还是现代离子探针技术精度和灵敏度的提升，是SOFIA更宽谱段的光谱仪在月球高纬对水分子的精准定位，还是嫦娥5号更新鲜的样品返回？
撰文｜林红磊中国科学院地质与地球物理研究所副研究员
尧中华香港大学副教授
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跌宕起伏的月球找水历程
1994年，美国的“克莱门汀号”航天器奔向月球，这是美国在“阿波罗”登月时代之后时隔21年第一次专门的月球探测任务。
与以往的阿波罗采样返回任务不同，这次是环绕月球进行全球的详细调查。它携带了一套雷达观测系统，目的是通过与地球上深空网络接收器的配合寻找月球两极存在水的证据。
1996年，美国国防部宣布“克莱门汀号”的数据显示月球南极一个永久阴影区陨石坑底部有水冰沉积（Nozette, et al., 1996, Science），该沉积物的体积约为 6万至12万立方米，相当于一个四个足球场面积、5 米深的小湖。这个发现将月球水的研究重新拉回了人们的视线。
为什么说是“重新”呢？其实人类对月球上有没有水这件事一直充满无限遐想。自从1609年伽利略发明望远镜可以比人眼更清楚地观察月球之后，天文学家发现月球表面主要有白色和黑色两种截然不同的区域。他们认为月球上黑色的区域可能被液态水覆盖，因此用“海”“洋”“溪”“湾”等描绘水系形态的字、词来命名月表的黑色区域（魏勇等, 2024, 中国科学院院刊）。到了20世纪中叶，科学家通过数值模拟展示了水蒸气在地质时间尺度上是可以困于永久阴影区的。1969至1976年美国“阿波罗”和苏联“月球”任务从月球采集了大量的样品并返回地球，终于让人们有机会直接测量月球样品中的水含量。但遗憾的是，分析结果显示月壤很干，测量到的微量水无法排除地球大气的污染。同时，宇航员留在月球表面探测大气的仪器也无法探测到水，这似乎让“月亮是干的”成为了一个事实。这也催生了月球大碰撞理论的形成。
“克莱门汀号”航天器的雷达探测结果无疑是释放了一个积极的信号！然而，阿雷西博地基射电望远镜的观测结果进一步显示，即使在没有永久阴影的区域（水冰无法保存），也有类似的雷达信号，可能是由于表面粗糙度等其他因素造成的（Stacy, et al., 1997, Science）。月球极区是否有水冰的问题再一次陷入了迷雾当中。
水的组成元素是氢和氧，测量月球氢的含量可能是探测水的一个方式。因此，1998年“月球勘探者号”携带了一台中子谱仪用于测量月球氢的分布，在两极看到了大量的氢富集（Feldman et al., 1998, Science）。月球又有水了？月球是否有水的争论一直持续到2008年。
2008年，对月球找水这件事来说是极其不寻常的一年，这一年有两件大事。第一件事是印度的“月船一号”航天器携带美国的“月球矿物学绘图仪”进入月球轨道，这是第一台可以直接测量月球羟基/水分子的光谱仪。
很快，负责这台光谱仪的布朗大学的Carle Pieters教授团队从数据当中发现了明显的羟基/水分子的信号，特别是在月球中高纬度。这让Carle Pieters教授的团队非常兴奋，但又非常吃惊：怎么会有这么强的水信号？是不是仪器校准出了什么问题？他们花了几个月的时间检验数据，最终认为这些信号是真实有效的（Pieters et al., 2009, Science）。
为了进一步确保确实探测到了水，团队请求当时正前往彗星的探测器“深度撞击号”回头对月球进行了光谱测量（Sunshine et al., 2009, Science），并翻出了前往土星的“卡西尼号”航天器在1999年飞掠月球时的光谱观测数据进行了重新分析（Clark, 2009, Science），交叉证实了月球水的信号是真实的。
与此同时，地面上也有了新的重大突破，这便是第二件事。
同样是来自布朗大学的Alberto Saal教授团队，花了三年时间，利用离子探针技术（SIMS）重新分析了阿波罗月壤中的火山玻璃（火山喷发的产物），发现了高达50 ppm的水（Saal et al., 2008, Nature），以确凿的证据挑战了“月球无水”的传统观点。离子探针技术20世纪50年代就已经出现了，是用高能离子束轰击样品表面释放氢离子，然后进行测量。
该技术也被用于早期月壤的分析当中，但是空间分辨率和灵敏度比较低。随着离子源和探测器技术的改进，现代SIMS技术能够检测低至5 ppm（百万分之五）的水含量，技术进步使得准确测量月壤中的水成为可能。Alberto Saal主要是做地球内部成分研究的，来到布朗大学后开始向月球和行星拓展，当他提出要研究“月球内部是否存在水”这个课题时，他的同事们警告他说从现有月球样品中发现新信息的可能性不大。但他并没有因此放弃，在现代先进技术的加持下，最终获得了巨大成功，他将这一成功归因于他在行星科学领域缺乏经验，没有受到固定思维的影响。
2009 年，美国的“月球陨石坑观测和传感卫星任务（LCROSS）”进行了月球极区的撞击实验，对撞击溅射物的观测分析结果证实了水的存在（Colaprete et al., 2010, Science）。自此，月球有水成为了一个普遍的共识。
实验室样品分析和遥感观测提供了月球有水的证据，但证据链中还缺少一环，那就是月面的实地测量结果。中国的嫦娥五号探测器于2020年12月1日成功着陆在了月球中纬度地区，这是1976年之后人类再一次的采样返回任务，并且携带了月球矿物光谱分析仪，在采样过程中获取了月表的光谱，就像我们在月球上出了一次“野外”，第一次在月表如此近距离、高分辨的探测到了水的信号（Lin, Li, Xu et al., 2022, Science Advances; Liu et al., 2022, Nature Communications），提供了月球有水广泛分布的又一铁证。
嫦娥五号样品返回地球之后，引起了科研人员极大的研究热情，特别是对于月壤中水的研究。因为与之前的月球采样任务（即美国“阿波罗”和苏联“月球”）相比，嫦娥五号月壤来自更高的纬度，而且更年轻，与人类现有的月壤样品完全不一样，非常珍贵。截至目前，国家航天局已向国内131个研究团队发放7批次共85.48克科研样品，平均算下来每个团队仅获得几百毫克样品。利用这么少量的样品，科研人员采用纳米离子探针技术和红外光谱技术，在月壤中发现了较高含量的水（Xu, Tian et al. , 2022, PNAS; Zhou et al., 2022, Nature Communications）。
水主要都储存在哪里了呢？研究人员在排除了多种可能性后将目光转向了嫦娥五号月壤中的撞击玻璃珠。这是一种此前很少被关注的样品，因为这一类型的样品“身世普通”，是月壤在被陨石撞击熔融的产物。这一过程伴随着对原始岩石的混合改造，致使其不能像“火山玻璃”一样反应月球内部的信息，因此早期少有人问津。但撞击玻璃在月壤中的数量相当丰富。得益于纳米离子探针分析技术的超高空间分辨率，科研人员获得了嫦娥五号月壤撞击玻璃珠的准确水含量，确认了撞击玻璃珠是一个月球水的重要储库，具备维持月表水循环的能力和潜质（He et al., 2023, Nature Geoscience）。随着对月球水认知的深入，月球水循环的研究逐渐成为重点。
我们谈论的月球水是什么？
说到水，人们首先想到是：能喝吗？当我们说月球上有水时，我们指的不是海洋、湖泊，而是指存在于月壤颗粒结构中的水分子和羟基（OH），或者存在于极区永久阴影区中的水冰。其中，水冰是指许多水分子组成的固体物质，通常呈六方晶型，而羟基/水分子在月球上通常与矿物结合，赋存在矿物结构中。
实验室离子探针技术测定的是氢含量，进而换算成水的含量，并不考虑水到底是以羟基还是水分子抑或是氢形式存在的。“月船一号”和“嫦娥五号”的光谱仪由于波长范围窄，也无法区分羟基和水分子。
2011年，研究人员联合离子探针和傅立叶红外光谱技术在阿波罗月壤中直接测量到了月壤中的羟基水（Liu et al., 2011, Nature Geoscience）。2020年，美国的平流层红外天文观测站（SOFIA）利用更宽谱段的光谱仪检测到永久阴影区之外可以相对稳定存在的分子水, 首次证实了月球表面存在分子水（Honniball et al., 2021, Nature Astronomy），这一重磅消息点燃了人们对月球水资源利用的希望，因为分子水相比于羟基更容易利用。但是在月壤样品中还没有发现明确的分子水存在的证据。对嫦娥五号样品的研究发现撞击玻璃中含有更高的水含量（He et al., 2023, Nature Geoscience），那在撞击玻璃里面存在分子水的概率会不会更大呢？带着这个问题，科研人员对嫦娥五号样品的12个撞击玻璃珠进行了详细的测量，探测到了分子水的信号，发现撞击玻璃中的水有20%-35%是分子水（Zhou, Mo et al., 2024, Science Advances）。
月球的这些水来自于哪里？这个问题主要是靠氢同位素来回答。氢主要有氕（H）、氘（D）稳定同位素，质量依次增加。通过测量样品中氘/氕（D/H）比然后与可能目标来源对比，就可以确定水从哪儿来的。如果D/H值较低，类似于太阳，则说明水是由太阳风带到月球的；如果D/H值较高，类似于彗星，则说明水可能是由彗星撞击带到月球的；如果D/H值接近于地球，排除掉地球影响，则是月球本身的水；如果D/H值介于地球和彗星中间，则可能是由含水小行星带到月球的。当然，有时候测到的D/H比是多个来源混合的结果，这时候需要结合其它同位素，比如碳、氮等，来进一步确定水的来源问题。通过对月壤颗粒的氢同位素测量，已经找到了水来自月球内部、太阳风注入和小行星/彗星撞击等多来源的证据（Saal et al., 2008, Nature; Greenwood et al., 2011, Nature Geoscience; Liu et al., 2011, Nature Geoscience; Barnes et al., 2016, Nature Communications），甚至在嫦娥五号样品的撞击玻璃中同时发现了这几种来源（He et al., 2023, Nature Geoscience；Zhou, Mo et al., 2024, Science Advances），从而增加了月球水源问题的复杂性。
为了能更具统计意义的确定水的主要来源，科研人员对嫦娥五号的大量样品进行了分粒度的光谱分析，提供了太阳风是月壤水最主要来源的证据（Lin et al., Science Bulletin, 2024）。基于遥感光谱所获得月表水含量的变化规律，也指示了水的不同来源。月表水含量具有日变化，早晚高中午低，说明了水的太阳风来源，因为只有太阳风可以快速补充中午因为温度高而丢掉的水（Li & Milliken, 2017, Science Advances; Wöhler et al., 2017, Science Advances）；有一些区域水含量异常的高，结合地形地貌特征，确定了月球内部水的存在（Klima et al., 2013, Nature Geoscience; Milliken & Li, 2017, Nature Geoscience）。极区水冰也可能是太阳风成因水通过扩散和迁移，最终在月球极区的永久阴影区冷凝并形成的（Pieters et al., 2009, Science），LCROSS元素数据的分析指示了彗星撞击也是一个合理的来源（Mandt et al., 2022, Nature Communications）。
当然，由于月球每个月会有接近三分之一的时间处在地球磁层当中，所以也不能排除掉地球风对月球水的贡献（Wei et al., 2020, Geophysical Research Letters; Wang et al., 2021, Astrophysical Journal Letters; Li et al.,2023, Nature Astronomy）。月球水来源的问题极其复杂，需要更多区域的样品、更多的观测和更深入的分析来获得进一步的认识。值得指出来的是，太阳风和地球风既是月球水的来源，同时又是我们对月球进行有人和无人探测任务需要直接面对的空间辐射环境，对其辐射特征及变化机理的研究是月球任务的重要保障之一，因此同样值得重点关注。
有多少水，能不能用，是人类未来建立月球基地和长期驻留更关心的问题。这个问题根据水在月球的存在状态要从两个方面来讲。首先是极区，因为温度低，理论上储存了相对其他区域更高含量的水，以脏冰（与月壤混合）的形式存在于永久阴影区中。LCROSS任务通过撞击月球南极的永久阴影区，分析撞击产生的羽流，检测到撞击点含有约5.6 wt.%的水冰（Colaprete et al., 2010, Science）。红外光谱的探测也得到了相似的结果，并发现在一些水冰信号比较纯的区域，水冰含量甚至可以达到30 wt.%（Li et al., 2018, PNAS）。极区的水冰也是目前最具利用潜力的月球资源，也是目前世界各国探测的重点，科研人员提出了加热开采、加热钻取等设想来提取水冰，但由于低温、低重力、无光照等环境的复杂性，距离实现这一目标还有很长的路要走。开采后还要考虑分离提纯、储存等问题。
另外一方面就是月壤中的水，这种水是存在于矿物结构中的，水含量只有几十到几百个ppm（一吨月壤中有几十到几百克水），比沙漠还要干。以嫦娥五号采样区为例，一吨月壤中最多有120克水（Lin, Li, Xu et al., 2022, Science Advances），不过这也跟纬度相关，在更高的纬度甚至可以达到500-750克（Li & Milliken, 2017, Science Advances）。月壤中水主要来自于太阳风注入，由于细颗粒月壤的比表面积更大所以水含量会比粗颗粒高，粒度筛选可能是在中低纬度利用月壤水的一种方式。1000立方米的细粒月壤（小于45微米）中可以提取出108公斤的水，如果可以筛的更细，小于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，月球的火山碎屑区域保存了大量的水，可以达到500 ppm（Milliken & Li, 2017, Nature Geoscience）。但是，从月壤中提取这些水需要更高的加热温度，如何有效率的获得最大的投入产出比是一个挑战。
虽然月球水的利用存在诸多困难，但目前相关的原理样机都已经开始研制，随着技术的进步，相信不久的将来宇航员就能喝到月球的水了，甚至火箭燃料都可以用月球水来制作。
何去何从
水是生命之源，其重要性不言而喻。在月球演化过程中，水也是起到了非常关键的作用。新一轮的月球探测从纯科学探索向科学研究与应用并重转变，提出了“月球村”、“月球科研站”等未来的规划，水作为重要的资源也受到了更多的重视。月球水将在未来太空探索中扮演重要角色，为人类文明走向太空奠定重要基础。目前对于月球水的时空分布仍存在争议，获取月球高精度、高分辨率的水含量及其分布是未来探测的重点内容。
我国“嫦娥七号”和“嫦娥八号”都将在月球南极进行详细探测，特别是极区水资源的探测，在2030年前后将构建出国际月球科研站的基本框架。载人探月也已经提上日程。美国的“阿尔忒弥斯计划”将继“阿波罗”任务之后再次实现载人登月，在月球南极进行调查、实验和采集样品，建设基地支撑人类在月球表面的长期活动。美国还计划发射一项小型探测任务“月球开拓者号”，通过环绕探测专门研究水在月球上的分布情况。此外，欧洲、日本、印度、韩国等国家也将月球水的探测作为重要内容。要想利用月球水，我们首先需要更清楚的了解月球水，这就需要更多精细的观测数据。月球具有无大气、便于抵近连续运行的轨道优势，基于此，科研人员提出了“近月轨道星座化”的方案，以实现近月轨道（30 千米以下）的连续高分测量，有利于我们掌握关于月球水的前所未有的准确信息（魏勇等, 2024, 中国科学院院刊）。
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