“嫦娥五号”让月球有水“实锤” 但水的来源存争议

2022年01月24日 15:04 次阅读 稿源:中国航天报 条评论

近日,中科院地质地球所行星科学团队在《科学进展》上发表论文,研究结果显示嫦娥五号探测器发现月壤、月岩中存在微量水,这是人类月球原位探测的重大发现,也让月球上是否有水的争议尘埃落定。那么,月球上的水来自哪里?是否可以为人类所用呢?


月球是否有水争论多年

月球是距离地球最近的大型天体,古时候人类对月球有着美好的想象,编织出如梦似幻的神话故事。然而,天文学家早就发现月球是一个没有大气,遍布陨石坑的“死星”。尽管如此,1952年氘的发现者、美国化学家哈罗德·尤里提出了月球上的永久阴影区可能存在水或类似的挥发性物质。

虽然当时人类没有能力探测和验证这一推测,但上世纪60~70年代的美苏探月和登月竞赛,为月球找水提供了可能。1969年,阿波罗11号载人飞船首次登月成功,但无论是月面仪器还是航天员带回的样品,都没有发现月球有水的证据。一时间,月球是干燥无水的星球成为共识。


这一时期,苏联通过“月球16号”“月球20号”和“月球24号”3次成功的取样返回探测任务,采回了约300克月壤月岩样品。苏联科研人员通过分析月壤样品发现,月壤中存在微量的水。

事实上,“阿波罗”任务取回的样品也有类似发现,但美苏检测到月壤中水的含量都很低,更重要的是,都无法排除月壤返回地面后接触水蒸气的可能性,也就导致不能肯定地宣布月球上有水存在。


随着遥感技术的进步,以及上世纪90年代月球探测的回潮,月球找水进入新阶段。1994年,美国科研人员通过克莱门汀探测器的雷达对月球两极进行了探测,发现疑似冰存在的证据。1998年,美国“月球勘探者号”通过伽马射线仪和中子频谱仪,探测到月球极区富含氢元素,为水的存在提供了旁证。

随后,各国加大探测力度,美国月球勘测轨道飞行器用更灵敏的种子探测器和莱曼-α探测器,在月球南极环形山中探测到水和羟基信号。印度“月船一号”上的M3探测器也在月球极区发现了羟基信号。2009年,美国使用LCROSS探测器撞击月球,携带的红外和紫外分光计发现了水和羟基信号。然而,3微米的红外波段不能区分水和羟基,无法作为不可辩驳的证据。

实际上,月球上的水不止存在于永久阴影区。2020年,美国宇航局宣布,SOFIA在2018年8月的飞行观测中,发现月球南部克拉维乌斯环形山附近有6毫米红外辐射。SOFIA是一个携带2.5米望远镜的波音747飞机,而6毫米红外光是水分子受热振动产生的,这个发现证明月球表面存在水分子而不仅是羟基。


SOFIA发现克拉维乌斯环形山附近的水浓度为100~400ppm,也就是每吨月壤含有100~400克水。不过,月球有水的最新证据,是来自 “嫦娥五号”。


美国找到月球有水的证据,不是来自SOFIA这个地球同温层观测平台,就是月球轨道上的环绕器,而“嫦娥五号”软着陆对月壤进行原位探测,估算出了月壤含水约为120ppm,月岩含水量约180ppm,这是人类首次通过原位探测证明月球有水,算是实锤了月球有水存在的证据。

水的来源依旧存争议

月面白天温度最高可达160摄氏度,夜间最低能降到零下180摄氏度。在这样严酷的环境下,液态水早就蒸发殆尽。那么,月球上的水到底来自哪里呢?

首先我们要知道,月球上并没有直接发现游离的液态水或冰,甚至没有发现主要成分是羟基的矿物,无论是遥感还是原位探测,月球上的水是通过水分子和羟基的红外信号,折算出来的含水量,这些“水”很可能是月球矿物晶格中的结晶水和结构水,或以其他诡异的状态苟延残喘。

更进一步说,月球表面的含水量是微乎其微的,月岩180ppm的含水量相当于1吨月岩中只有180克水,这点水不要说和大多数地球土壤相比,就是和干燥的沙漠对比都少得可怜。沙漠中沙子的含水量每吨一般在2公斤到十几公斤,而月壤中的水不到地球沙漠含水量的1/10。

目前,科研人员对月球上水的来源提出了3种不同说法:

第一种推测,月面的水是太阳风吹来的。太阳风不仅会吹走火星大气,它也含有大量的氢,当太阳风吹到月球表面时,太阳风中的氢和月壤矿物中的氧结合形成羟基甚至水分子,并在月壤中保存下来。科研人员认为,月壤中大部分的水是太阳风吹来的。

第二种假说,月面的水是彗星撞来的。来自外太阳系的彗星含有大量的水冰,它们进入内太阳系在阳光照耀下挥发,但也有些彗星撞击到月球,带来宝贵的水。彗星撞击时绝大部分的水都蒸发逃逸不复存在,但也可能有一部分水渗入月壤,保存下来成为月壤中的水。

第三种猜测,月球岩石本身就含有水。固态星球矿物含水本就顺理成章,以近期汤加火山大喷发为例,火山喷发的气体中绝大多数都是水蒸气。科研人员在“阿波罗”取回的月球样品中,发现部分矿物中含有极少的水,可以支持这个猜测,而嫦娥五号着陆器发现月岩含水量远高于月壤,尤其是它探测的那块月岩,本身形成于月球深处,是陨石撞击溅射出来的,这为月球水的内生说提供了有力证据。


综上所述,月球上的水既可能是太阳风吹来的,也可能是月球形成时岩浆本身就有的,还可能是彗星等深空天体撞击带来的。根据“嫦娥五号”的探测分析结果,月壤中的水绝大部分是太阳风贡献的,而月岩的水多数应该是岩浆凝固前就有的。

月球取水还得看极地

月球有水的喜讯听到了多次,但较真地说,目前月球有水,还只是对水分子甚至羟基进行光谱探测的结果,最多只能证明月球表面存在水分子,要说存在水蒸气、水冰,甚至是液态水等货真价实的游离水,仍然有待发现。

水是生命之源,虽然科学探测发现月球上有水,但在严酷的环境下月球无法诞生生命。即使如此,水的存在也让月球成为了一个别具吸引力的地方。很多人甚至一些科研人员写的论文都在大胆畅想,如果能有效开采和利用月球上的水,将能帮助航天员维持在月球上的活动,甚至制取氢氧推进剂,服务载人登陆火星的计划。

美国商业公司表示,要利用月球上的水制取推进剂,为深空探测器、载人飞船和静止轨道卫星补加推进剂,让月球上的水成为有利可图的资源。

尽管如此,美国SOFIA和“嫦娥五号”对月面探测找水的结果,都表明月面的水含量太低,直接从月壤制取水的难度和成本太高,至少在月球探测和开发初期是缺乏经济价值的。

另外,目前的遥感探测表明,月球两极的永久阴影区应该存在丰富的水资源。虽然月球极区存在水冰或富含挥发水的矿物,还只是根据遥感探测数据的合理猜测,但月球基地永久阴影区的含水量要比SOFIA和“嫦娥五号”探测的月面中低纬度地区高很多。


暴露在阳光下的月壤、月岩中存在水,固然是科学上的重大发现,但在工程上尤其是人类未来建设月球基地,甚至是月面制取推进剂,这么低的含水量显然缺乏实用价值,因此,人类要利用月球上的水,还得深入月球南北极的永久阴影区。

未来,我国“嫦娥七号”将携带飞跃探测器,对月球极区陨石坑的阴影区进行原位探测,我们期待它带来更劲爆的好消息。

/张雪松

本文转自中国航天报

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