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月球上有水吗(如何在月球表面制造水)

月球上有水吗 月球上有没有水?如果有水,又是以什么方式存在的?一直以来,这些问题在学术界争论不休。 月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他们认为,月球极地一些撞击坑…

月球上有水吗
月球上有没有水?如果有水,又是以什么方式存在的?一直以来,这些问题在学术界争论不休。
月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他们认为,月球极地一些撞击坑底部,可能处于太阳照射不到的永久阴影区,表层和次表层的温度常年维持在零下233摄氏度到零下223摄氏度。原始月球脱气作用产生的水,以及彗星撞击月球携带至月表的水,在这样的低温条件下,很可能会以水冰的形式长期保存下来,逃逸进入太空的可能性很小。他们推测,月球两极的深坑底部可能存在大量水冰。
在月球水冰设想提出后的30余年间,科学家进行了多方面的探索,直到上世纪90年代,都没有找到月球有水的确凿证据。在科学家持续不懈的努力下,过去的20多年来,月球找水获得了一系列突破性进展。
阿波罗月岩中发现水
虽然前苏联科学家早在1978年就在月球24号的样品中发现存在0.1%的水,但美国人根本不认可这一结果,他们认为所有的阿波罗样品都不含水,前苏联人发现的水是因样品保存不当导致的,其理由当然是阿波罗登月采集的月球样品中没有发现水。
然而,随着精细分析技术的提高,阿波罗样品不含水的结论在2008年被推翻了。华盛顿卡内基学院的埃里克·霍利研发了二次离子质谱分析技术,能够探测样本中非常微量的元素。美国布朗大学的阿尔贝托·萨尔将该技术应用在了月球样品研究上,他从阿波罗样品中挑选了约40颗月球火山玻璃的珍贵样品进行研究。萨尔的研究小组并没有直接发现水,而是分析了样品中氢的含量,分析结果与地球地幔样品中氢和水的分析结果相似,这说明月球内部可能与地球的地幔一样存在大量水。
接着,2010年3月,美国卫斯理大学詹姆斯·格林伍德教授在阿波罗月岩中发现了微量水,最高含量可能只有千分之几。研究人员计算出岩石样本内氟和氯的含量。根据磷灰石的计算公式,氟和氯的含量表明,要使得磷灰石的晶体结构趋于完整,还需另一种化合物。研究人员得出的结论是,这种化合物可能是氢氧化物——磷灰石和水分解后的产物。他表示这项研究证明月球岩石中的水并不是来自于地球。
近年来,随着科学仪器的灵敏度和分析精度的显著提高,科学家们相继在月球样品中发现氢或水,而且我们相信今后还将有类似证据表明月球样品中含有氢或水,但这种氢或水存在于矿物晶格内,含量甚微,也极难提取,难以改变月球绝对干燥的结论。
雷达探测
年,美国发射克莱门汀号月球探测器。该探测器的雷达回波显示,月球上可能有水。由于克莱门汀号的雷达探测结果受到争议,印度月船一号探测器上搭载的微型合成孔径雷达(Mini-SAR),采用了不同的工作方式,从而明确判断回波异常到底是由水冰-月壤混合物引起的,还是其他因素引起的。
微型雷达在月球北极发现了40多个大小不等(直径大约1.6?15千米)的撞击坑具有异常的回波特征。其中,约30个撞击坑只有坑内出现回波异常,坑环和外围都没有出现回波异常,推测是由于坑内含有水冰引起的;另有11个撞击坑的坑内和外围都出现回波异常,推测是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南极也发现了类似的现象。这说明,月球极区的这些撞击坑内很可能存在水冰。
根据雷达探测的原理,这些撞击坑内的水冰很可能是以大冰块或冰层的形式存在,分布在10米厚的月壤层内。
光谱探测
年10月,美国布朗大学卡尔·皮埃特斯等通过对月球矿物制图仪获得的近红外光谱进行仔细研究,他们发现几乎在月球所有纬度上都存在羟基(由1个氢原子和1个氧原子组成),或可能是水的光谱信号。
由于光谱探测只能感应表面几毫米的深度,因此,月球矿物制图仪发现的水应该存在于月表数毫米厚的月尘内,含量甚微,与月球矿物以结晶水形式存在。按照地质学的经验,结晶水与矿物之间的结合非常牢固,常常需要加热到200摄氏度甚至更高的温度才能释放出来,这就解释了为什么在白天温度可以达到130摄氏度左右的月球中低纬度地区也检测到了羟基信号。
中子探测
年,美国发射的月球勘探者号探测器的中子探测结果显示,在月球两极地区存在丰富的氢,据此推测,月球极区可能含有丰富的水冰。
与前面提到的月球勘探者号的中子探测原理相似,月球勘测轨道器上也搭载了一台低能中子探测仪,通过记录中子计数探测氢的含量,并进而证明水的存在。中子探测仪在月球撞击坑内的永久阴影区发现了丰富的氢(氢很有可能以水的形式存在)。
由于中子探测仪的探测深度为月球表层数米厚的月壤,因此这些“水”可能是以冰粒形式与月壤混合,即“脏冰”。但令人费解的是,在温度较高、日照强烈的3个撞击坑外围地区,也发现了丰富的氢。
撞月探测
月球勘测轨道器的子卫星——月球坑观测和传感卫星(LCROSS),由牧羊航天器和半人马座火箭2部分组成。2009年10月9日,约2.2吨重的半人马座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞击月球南极的凯布斯坑(Cabeus),牧羊航天器上的科学仪器有4分钟时间探测撞击溅射物,并把探测数据传回地面控制中心。
在这次撞击后,科学家团队顶着压力,几乎夜以继日地分析牧羊航天器传回的大量数据。研究重点集中在光谱仪的探测数据,这是月球上存在水的重要证据。
有多重证据表明,水存在于撞击产生的溅射物中。虽然水的浓度和分布还需进一步分析,但可以确定的是,凯布斯坑中有水。
结论
最后,让我们回到最初的问题,月球上找到水了吗?迄今,人类已在多次任务中以不同的探测方式获得了极区永久阴影区中存在水冰的证据。部分专家认为,目前基本上可以证实月球上确实有水。但是,最终的结论还需要通过派遣机器人或航天员,进行实地钻探取样以证实水冰的存在和含量。
科学家没有停止努力。极区将成为未来月球探测的重点区域,通过在月球上找水,将为建设月球基地提供潜在的水资源。
郑永春
博士,中国科学院国家天文台研究员,中国科普作家协会副理事长,青年科学家社会责任联盟理事长,“科普中国”形象大使。

 

如何在月球表面制造水
第11天的盈凸月(Waxing gibbous,即我们看到的月亮一半以上是明亮的且明亮的面积还在增加的状态)。
的科学家们发现,当被称为太阳风的带电粒子流以每秒450公里(或接近每小时160万公里)的速度照射到月球时,它们会使月球表面富含可以制造水的成分。
科学家用计算机程序模拟了太阳风急降月球表面时的化学反应。他们发现,当太阳将质子流向月球时,这些粒子与月球表面的电子相互作用,形成氢(H)原子。然后这些原子在表面迁移并锁定二氧化硅(SiO2)中大量的氧(O)原子和构成月球土壤或风化层的其他含氧分子。氢和氧一起构成羟基(OH),即水(H2O)的成分。
“我们认为水是种特殊又神奇的化合物,”NASA戈达德太空飞行中心(位于马里兰州格林贝尔特)的等离子体物理学家William M. Farrell(他帮助开发了计算机模拟)说,“但令人惊奇的是:每块岩石都有可能制造水,特别是在被太阳风辐射后。”
模拟研究的带头人、戈达德的物理学家Orenthal James Tucker表示,了解月球上有多少水(或其化学成分)对于NASA派遣人类登月并建立长期存在的目标至关重要。
“我们正试图了解有价值资源的运输动态,比如月球表面和散逸层(或非常稀薄的大气)的氢,这样我们就可以知道去哪里得到这些资源,”Tucker说道,他最近在JGR(地球物理研究期刊,Journal of Geophysical Research)行星期刊中讲述了模拟结果。
下载月球上太阳风绘图的PDF(8.68 MB)
一些航天器使用红外仪器测量月球发出的光以识别其表面的化学成分。其中包括NASA的深度撞击号(Deep Impact),它在前往哈特雷2号彗星(103P/Hartley 2)的途中与地月系统有多次近距离接触;NASA的卡西尼号(Cassini)在飞往土星的途中经过了月球;印度的月船1号(Chandrayaan-1)十年前绕月球飞行。 这些航天器都发现了的水或其成分(氢或羟基)的证据。
但这些原子和化合物是如何在月球上形成的仍然是个未解决的问题。流星撞击可能会引发必要的化学反应,但许多科学家认为太阳风是主要驱动因素。
太阳释放出恒定的粒子和磁场称为太阳风(solar wind)。太阳风在太阳系中以粒子和辐射肆虐其他天体,除非受到大气或/和磁场的阻碍,否则它们可以一直流向行星表面。以上是这些太阳粒子与一些行星和其他天体的相互作用。
下载太阳风信息图的PDF(3.92 MB)

的模拟跟踪了月球上氢原子的生命周期,支持太阳风理论。
“从以前的研究中,我们知道太阳风中有多少氢,我们也知道在月球非常薄的大气中有多少氢,我们测量了表面的羟基含量,”Tucker说,“我们现在所做的就是弄清楚这三种氢的库存是如何交织在一起的。”
发现氢原子在月球上的活动有助于解决为什么航天器发现月球不同区域的氢含量存在波动。研究小组得出结论,较温暖的地区积聚较少的氢,比如月球的赤道,因为沉积在那里的氢会被太阳激发,然后迅速从地表跑到散逸层。相反,更多的氢积聚在极点附近较冷的表面,因为那里太阳辐射较少。
总的来说,Tucker的模拟显示,随着太阳风不断地轰击月球的表面,它打破了硅、铁、氧原子(构成月球土壤的主要成分)之间的化学键。这使得氧原子有空缺,当氢原子流过月球的表面时,它们会暂时被困在一起(在寒冷的地区比在温暖的地方更长)。它们漂浮一段时间之后会扩散到月球的大气中,并最终进入太空。 “整个过程就像一家化工厂,”Farrell说道。
表示,关键结果是,每个暴露在外的二氧化硅体,从月亮到尘埃颗粒,都有可能产生羟基,从而成为水的化工厂。
戈达德物理学家Rosemary Margaret Killen和(位于马里兰州巴尔的摩市)约翰霍普金斯大学的行星科学家Dana M. Hurley为模拟研究做出了贡献,该研究由NASA太阳系探索研究虚拟研究所(Solar System Exploration Research Virtual Institute)资助。
参考:

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