月球尋水 從「月海」到水冰

2020-11-23 人民網

原標題:月球尋水 從「月海」到水冰

一直以來,人們都在致力於尋找月球上水存在的證據。近年來,隨著探測設備和數據分析水平的提高,月球尋水的收穫頗豐。日前,科學家首次直接觀察到月球表面存在水冰的確切證據,這一發現讓人們對於如何更好地利用月球資源以及建立月球基地產生了更多期待。

緣起——人類對月球存在水的美好憧憬

月球作為我們的近鄰,也是自古以來被人類觀察最多的星球,人類一直寄希望於月球上有水的存在。很早以前的古希臘人,就在通過肉眼觀察月球表面時,想像著那些看起來暗一些的區域可能是海洋,而亮一些的區域則是陸地。

當17世紀初望遠鏡發明以後,天文學家便不再僅僅用肉眼觀察星空,而是可以藉助望遠鏡對夜空的天體進行更為細緻的觀察。哈裡奧特和伽利略等人在用望遠鏡觀察我們的近鄰月球時,發現月球表面有一些大小不等的暗色區域,按照當時人類對於地球的認識,他們猜測那些反光弱的暗區是月球上的海洋,就用拉丁文「maria」(海)來稱呼。而同時把相對比較光亮的地方,稱之為月陸。

我們知道,由於潮汐鎖定,月球始終只有一面對著我們,這一面中約有三分之一是早期天文學家眼中的月海。1651年,來自義大利耶穌教會的兩位天文學家繪製了較為詳細的月面圖並命名了許多的月貌特徵,其中不僅有月海,還有小的月湖、月灣和月沼,足以說明當時天文學家對於月球上有水的無限期待。雖然現在我們知道在月球表面存在液態水的概率微乎其微,更別說江河湖海了,那些看起來稍顯暗淡的區域其實是月球表面地勢較低的平原,但三百多年前命名的那些月海已經成為一種習慣稱呼,絕大多數依然被沿用至今。像我們國家發射的嫦娥三號月球探測器就著陸在「雨海」之中,但是「玉兔號」月球車睜開眼睛看到的只有巖石和土壤,她並沒有暢遊在海中,也沒有被任何雨水淋到。

歷史——對於月球是否有水存在的科學探索

如果說月海的命名是人們對於「月球表面跟地球一樣充滿液態水」的美好幻想的話,那麼1961年加州理工大學沃森等人提出的「水冰可能長時間存在於月球永久陰影區域」的觀點,則更多的是基於科學認知和分析計算後的合理推測。

美國「阿波羅」登月太空人帶回了大量月球巖石和土壤標本,科學家從中檢測到了微量水的痕跡,但經過測定其中氧的同位素比率與地球上氧的同位素比率相近,科學家無法加以區分,所以當時絕大多數觀點都認為這些水的痕跡是被地球汙染的結果。

1976年,前蘇聯「月球24號」探測器挖取了月表下2米深處的月球樣品,幾經輾轉順利帶回了位於莫斯科的實驗室。隨後三位蘇聯科學家發表了一篇俄文論文,宣布在這170克樣品中發現了0.1%含量的水。他們聲稱雖然在檢測過程中採取了一切可能的措施避免實驗室中水蒸氣對於樣品的汙染,但是依然不敢擔保這一結果絕對沒有遭到任何汙染。這一結果在當時沒能引起國際同行的足夠重視,後因沒有其他後續論文引用和跟進研究而石沉大海。

經歷了一段沉寂期後,上世紀90年代開始,第二次探月高潮在多個國家的共同發力下到來,而月球上水存在的面紗也被逐漸揭開。

1994年發射的「克萊門汀號」月球探測器,在對月球南極陰影區進行雷達探測時,接收到的部分雷達回波的強度和極化性質與乾燥的巖石土壤回波性質不同,呈現出與揮發性冰類似的特徵,當然也有可能是甲烷或者其他固態揮發物。這一發表在《科學》雜誌上的結果並沒有定論。

與雷達探測不同,1998年發射的「月球勘探者號」探測器,則攜帶了可以測量氫含量的中子探測儀,試圖從另一個角度探尋水的痕跡。它也的確在月球兩極地區,尤其是北極探測到了較為豐富的氫。當然氫的富集可能是水,亦有可能是其他含氫物質造成的,所以基於這一結果科學家還是無法確切證明水的存在。

十年後,美國又一併發射了「月球勘測軌道器」和「月球坑觀測和遙感衛星」,前者對月球整體進行更為細緻的研究(包含一個類似「月球勘探者號」的中子探測設備),而後者專門負責撞月找水,各司其職的兄弟倆又有了許多新的發現。其中「月球坑觀測和遙感衛星」在撞擊南極永久陰影區的一個隕石坑後,通過對撞擊過程中大量數據尤其是光譜數據的細緻分析,科學家在撞擊濺起的蒸汽和粉塵,以及個頭較大的碎石顆粒中,都探測到了含有水的特徵,從而間接證實月球極區的永久陰影區裡確實有水。至於這些水是來自於月表還是月下更深處,它們到底是什麼存在形式,當時還無法定論。

值得一提的是,印度於2008年底發射的「月船1號」,上面搭載的諸多探測設備都為月球尋水提供了更多寶貴數據,其中的明星設備無疑是美國研製的月球礦物繪圖儀,它是一臺成像光譜儀,通過它可以對月表進行高解析度的空間和光譜繪圖。2009年發表在《科學》雜誌上的文章,就宣布在較為寒冷的高緯度地區和許多隕石坑中,都發現了大量羥基(OH)或是含水礦物質的吸收特徵,但科學家依然無法對上述兩種水的具體存在形式加以區分。也就是說,科學家通過上述種種探測研究,得到的都是月球上有水存在的間接證據,並沒有找到百分百的直接證據。

當下——月表存在水冰的直接證據

上面我們只是簡要介紹了部分月球找水的歷史。細心的讀者不難發現,近些年來,許多不同探測器都在月球南北極的永久陰影區裡找到了很多水存在的線索,常年不被陽光照射的低溫環境也的確可以將水以水冰的形式固定在那裡。科學家們也把更多的研究精力投向了這些區域,期待能夠有新的突破。終於功夫不負有心人,2018年8月20日,夏威夷大學的李帥所帶領的團隊發表文章宣布,他們首次在月球表面發現了水冰存在的直接證據!而這一結論所基於的數據,就是上面提到的,十年前發射的「月船1號」上攜帶的月球礦物繪圖儀。

李帥團隊重新分析了波長範圍在0.46-2.98微米(1米的一百萬分之一)的數據,通過其中位於1.3、1.5和2.0微米處的吸收特徵來判斷水冰的存在與否。經過了細緻巧妙的分析和充分論證後,他們確認了多處水冰存在的位置,並繪製了月球兩級水冰的分布圖。雖然他們找到了月球表面水冰存在的確鑿證據,但是目前的研究發現這些水冰不僅分布範圍較少(只暴露在大約3.5%的陰影區域),而且還與大量的其他雜質混合在一起,純度也不高。如此稀疏的覆蓋和異質性表明,這種月球水冰與其他無大氣巖石世界(例如水星和穀神星)極區中發現的大量高純度水冰有著截然不同的產生演化歷史。當然了,由於月球礦物繪圖儀只能探測月表很淺層的區域,那這之下是否有更多水冰的存在,那裡水的純度是否會更高,這些問題都值得科學家們進一步分析研究。

未來——水冰存在可以更好地利用月球資源

月球作為距離我們最近的星球,雖然受限於月球環境的特殊性,我們無法大量移民到月球居住生存,但是月球僅有地球六分之一的表面重力是作為太空中轉基地的理想場所,以月球作為跳板,發射太空飛行器會節省很多燃料獲得更大的推力,從而助力未來人類太空飛行器飛向更加遙遠的宇宙深處。此外,月球上大量的氦-3資源也同樣等待著人類去建立基地開發利用。

月球上水冰的存在或將成為未來建立月球基地時降低成本的重要因素,畢竟相比於從地球通過太空飛行器運輸水(或氫氣和氧氣)到月球,直接在月球上就地取材無疑是更加理想的方式。

雖然這次直接發現的月表水冰含量並不大,但科學家也寄希望於月表下更深處會貯藏著更多的水冰。如果未來調查發現含量特別大,人類可以在月球上直接設法開採這些水冰,為直接飲用甚至可能種植的農作物提供液態水;也可以通過配備太陽能電池板或核發電機將水分解為氧氣和氫氣,供給人類呼吸以及作為火箭燃料使用。不僅如此,水冰中的氫也可用於提取月球土壤中的氧化物,進而獲得更多的氧氣。

總之,這次月球表面發現水冰的確鑿證據,必將帶來科學家研究月球和未來利用月球資源的新熱潮,或許不久的將來,太空人就可以在月球上建立基地,並利用月球上的水冰進行生活和工作。讓我們期待那一天的早日到來。

(責編:王麗瑋、吳楠)

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