驚鴻一瞥 浮生若夢——月球水冰探測歷程

月亮，在古時又稱為太陰、嬋娟、玉盤，千萬年來陰晴圓缺亙古不變，從古至今，人類就從未停止對月亮的嚮往。其中更不乏通過月亮寄託情感的神話故事和古詩詞，從嫦娥奔月到「海上生明月、天涯共此時」，從古時肉眼觀測到人類探測器第一次造訪，若干年來月亮仿佛被賦予了生命的氣息，見證並陪伴了人類的發展。

氣候觀測衛星Dscovre所拍攝的月球從地球前方掠過的景象（圖片來源：維基百科）

作為地球唯一的天然衛星，月球是離地球最近的天體，因其獨特的環境（如超高真空、無大氣、無磁場、弱重力等）和豐富的自然資源（鈦鐵礦、氦-3和潛在水冰資源等），一直是人類邁向浩瀚宇宙的首選目標。迄今為止，人類在月球探測60多年的歷程中共實施了117次無人月球探測和9次載人月球探測任務。並且探索月球腳步從未停止，2020年9月，NASA發布最新版月球探測計劃：NASA’s Lunar Exploration Program Overview，在這份計劃中,NASA明確提出：2021年開始運用機器人開展月球無人探測，2024年前運送太空人登陸月球南極，隨後將在月球南極建立「Artemis大本營」，建立環月軌道空間站和月球表面基地以實現人類在月面長時間駐留。之所以選址在月球南極，其很大一部分原因是由於月球極區陰影區撞擊坑內很可能存在的水冰。

一直以來水是生命活動賴以維持的基礎，月球的水是月球探測的重要內容之一，既具有重要的科學意義，也蘊含著潛在的應用價值。月球存在水冰的設想最早由美國科學家Watson K等在1961年提出：由於月球極區的太陽入射角很小，一些撞擊坑底部可能處於太陽照射不到的永久陰影區，表層和次表層溫度常年維持在40K左右（目標-233°C）。原始月球脫氣作用產生的水、彗星撞擊月錶帶來的水，在如此低溫條件下逃逸進入太空的概率很小，很可能以水冰的形式被長期保存下來，因此推測月球兩極撞擊坑底部可能存在大量水冰。

目前認為月球水的來源主要有3種：（1）由彗星或小天體帶入。當彗星撞擊月表並劇烈破碎時，碎塊濺落到撞擊坑永久陰影區與月壤混合；（2）由太陽風中的氫原子與月壤和月巖中的FeO發生還原反應產生；（3）月球深部釋放的巖漿水。相關研究表明，上述這些水中有20%~50%以冰的形式儲存在月球兩極撞擊坑永久陰影區。

在月球水冰設想提出後的50餘年間，許多科學家持續進行多方面的探索，包括早期的繞月軌道器、著陸器、月球車的不載人探測，阿波羅太空人的登月考察，以及月球樣品和月球隕石在地面實驗室內的精細分析。直到2020年10月，美國NASA宣布通過平流層紅外探測天文臺（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA）開展的紅外波段探測，在月表光照區發現了水分子的存在，這是人類第一次在月球表面直接探測到水分子,相關研究成果於2020年10月26日在《自然·天文學》（Nature Astronomy）雜誌上。

月球水的探測具有重要意義，首先，月球兩極永久陰影區中的水冰很可能保存了數十億年前彗星或小行星帶來的水，這些水包含了太陽系早期水的豐富信息，對於深入認識太陽系早期水的形成機制以及後期分餾演化過程都具有重要意義；其次，對月球基地建設和後期深空探測具有重要應用前景，由於從地球運送水到月球非常昂貴，就地開發和利用月球極區的水冰，可以解決月球基地建設中人類賴以生存的飲用水供給問題，同時通過將水分解成氫和氧，可以為進一步開展深空探測提供燃料，也能保障月球基地的氧氣供給。

月球水冰探測歷程

克萊門汀號（Clementine）

1994年1月，美國發射克萊門汀號軌道器，搭載了一臺雙基雷達（雙站雷達或收發分置雷達，Bistatic Radar）。雙基雷達的原理是通過向月表發射雷達波信號，在地球上接收反射回來的雷達波，根據回波信號可以反演月表物質的相關性質。該雙基雷達發射的是未經調製的S-波段右旋圓極化電磁波，發射天線是直徑1.1m的高增益天線，回波信號由美國加利福尼亞州的高斯登、西班牙的馬德裡和澳大利亞的坎培拉三地70m天線組成的深空網絡地面站接收。

1994年4月，當克萊門汀號繞月第234軌運行到月球南極上空200km高度，發現雷達回波異常，沒有出現乾燥月壤所應具有的特徵，而是呈現出「髒冰」水冰的特徵，經分析，認為月球南極可能含有存在月壤中的水冰。但此結果也受到部分科學家的質疑，他們認為根據克萊門汀號的雷達探測結果，並不能確定一定是水冰，大入射角發生多次散射效應會產生回波異常，粗糙月表等因素同樣也會引起回波異常。因此，克萊門汀號雙基雷達得到探測水冰的結果並沒有被廣泛接受。

克萊門汀號探測器（圖片來源：NASA）

克萊門汀雷達探測結果，雷達回波數據顯示第234軌雷達回波數據異常

（圖片來源：參考文獻8）

月球勘探者號（Lunar Prospector）

1998年1月，美國發射的月球勘探者號探測器在月球極地軌道上100km高度運行一年，後降低到50km和30km高度飛行。其搭載的中子探測儀，可以測量月球表面的氫含量，氫信號的強弱又可以反映水含量的多少。

中子探測儀的探測結果顯示在月球兩極地區存在豐富的氫，據此推測月球極區可能含有水冰，這些區域月壤中水冰的含量約為0.1%~0.3%，可能以冰粒和月壤混合物（髒冰）的形式存在。相較於雷達探測，中子探測結果引起的爭論相對較少，但由於太陽風中含有豐富的氫，探測結果仍然無法確定月表物質中的氫究竟是以水冰、羥基還是其它含氫化合物的形式存在。

月球勘探者號探測器（圖片來源：NASA）

月球勘探者號中子探測儀數據分析月球兩極氫含量分布（圖片來源：

參考文獻9）

1999年7月，在「月球勘探者」號即將完成使命之前，NASA下達指令，探測器以6115km/h的速度向月球極區預定目標撞去，科學家原本估計撞擊將激發約18kg的水蒸氣供地基和空基觀測，希望得到無可爭議的水冰存在的證據，然而哈勃空間望遠鏡和德克薩斯大學麥克唐納天文臺都沒有觀測到任何有關水的信息。

月船一號（Chandrayaan-1）

2008年10月，印度發射首個月球探測器月船一號，其上搭載了由美國提供的微型合成孔徑雷達（Mini-SAR）和月球礦物製圖儀（Moon Mineralogy Mapper, M3）。微型合成孔徑雷達相較於克萊門汀號在雷達設計上進行優化，採取了不同的工作模式以保證判斷回波異常是由水冰-月壤混合物引起的，還是其他因素引起的。

Mini-SAR的探測結果表明，在探測的約40個撞擊坑出現雷達回波異常，這些撞擊坑內的水冰很可能是以大冰塊或冰層的形式存在，分布在厚達10餘米的月壤層內。

M3的探測數據表明，在全月都存在2.8~3.0μm的紅外吸收特徵，這些特徵是由羥基（-OH）或水矽酸鹽礦物引起的，但無法確定是否存在水分子。直到2018年，布朗大學李帥團隊通過月球礦物光譜儀的觀測數據在特定的波段範圍內進行分析後，發現在月球南北極1.3μm、1.5μm和2μm的波段同時存在近紅外光譜吸收峰，這是水冰存在的一個獨特的特徵，正是通過這三處特徵吸收峰發現的這一直接證據，並經充分驗證後，科學家們確定月球存在水冰。

月船一號探測器（圖片來源：NASA）

水分子在1.3μm、1.5μm和2μm的三個波段同時存在近紅外光譜吸收峰，這是水冰存在的一個獨特特徵（圖片來源：參考文獻11）

月球勘測軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter）

2009年6月，美國發射月球勘測軌道器（LRO）和月球撞擊坑觀測和傳感衛星（LCROSS）組合體，LRO上搭載了與月船一號同樣設計的雷達類載荷——微型合成孔徑雷達(Mini-RF)和中子譜探測載荷——月球探索中子探測器（LEND）。

但微型合成孔徑雷達的探測結果同樣產生爭議，無法確定雷達回波異常到底是水冰引起的，還是粗糙月表造成的。而中子探測器在月球撞擊坑內的永久陰影區通過記錄中子計數的方法探測到了氫的含量，。但同時也有專家對探測結果提出質疑，認為LRO中子探測器的屏蔽系統不能屏蔽掉探測區以外的中子信號，導致測量的大部分信號來自於本底（包括衛星材料產生的以及來自觀測區域以外的信號）。

月球撞擊坑觀測與遙感衛星LCROSS由牧羊太空飛行器和半人馬座火箭兩部分組成，目的是對月球極區永久陰影區進行撞擊試驗以檢測水的存在。2009年10月，LCROSS上2.2噸重的半人馬火箭以2.5km/h的速度向南極Cabeus隕石坑撞去，牧羊太空飛行器上搭載的載荷對撞擊區域進行探測，雖然撞擊規模和效果低於預期，但經科學家進行分析近紅外吸收光譜後，檢測到了羥基、水蒸氣和冰的吸收峰，證實了月球永久陰影區水的存在。

LCROSS撞向南極Cabeus隕石坑（圖片來源：NASA）

LCROSS上的可見光相機拍攝，撞擊發生20秒後出現氣狀雲柱（圖片來源：參考文獻10）

LCROSS觀測數據，藍色曲線為近紅外光譜儀光譜曲線，紅色曲線為月壤與水冰混合物光譜模型，兩條曲線重疊明顯，證明吸收特徵是水冰引起（圖片來源：參考文獻10）

平流層紅外探測天文臺（SOFIA）

平流層紅外探測天文臺是一個架設在改裝的波音747SP上的2.5米口徑反射望遠鏡（Forcast），日常飛行在12公裡高度的平流層進行紅外波段探測。美國科學家Casey Honniball通過SOFIA天文臺，在月球南半球高緯度的克拉維斯（Clavius）撞擊坑一帶的輻射光譜發現了6μm波段的輻射帶，這是水分子相對於羥基或水矽酸鹽礦物在該波段具有的獨特輻射帶，通過對這一區域探測結果進行對比分析，最終結果顯示確認克拉維斯撞擊坑存在水分子，濃度為百萬分之100至412之間，相當於1立方米的月壤中含有12盎司的水，儘管水的含量非常少，甚至不足撒哈拉沙漠含水量的百分之一，但相較於之前對月球水冰的探測來說，此次SOFIA天文臺的發現已屬於前所未有。早期探測發現水冰存在的證據，都是通過遙感手段探測到氫原子或羥基的存在，而此次則是直接探測到了水分子。通過這一發現對於水冰的分布也有了新的認識，之前探測到的水冰信號幾乎全部來自於月球南北兩極的永久陰影區，並沒有太陽照射，而此次的發現證明水冰不僅分布於寒冷且不受陽光照射的地區，同時可以存在於陽光能夠照射到的月球表面。

那麼這次在月表光照區域發現的水又是以何種形式存在的？經科學家分析，SOFIA天文臺發現的水分子並不是以水冰或液態水的形式存在，而是與礦物結合的結晶水，相當於「困」在了月球表面的礦物顆粒中，由於結晶水與礦物之間結合牢固，需要加熱到200℃甚至更高的溫度才能釋放出來，而月表白天溫度最高也才100多攝氏度，無法使這些水逃逸。

平流層紅外探測天文臺SOFIA（圖片來源：NASA）

此次SOFIA天文臺在太陽光照地區探測到水分子，改變了水冰僅存在於月球南北極永久陰影區的傳統認知，為人類計劃建立長期有人駐守的月球基地帶來了希望。水作為重要的地外資源，在月球通過對水資源進行原位利用，將解決能源供給等問題。即使水冰資源的開發利用還面臨著水冰提取、搬運轉移、轉換利用等多個環節，但我們相信，人類距離移民月球的夢想又近了一步，畢竟，我們的徵途是星辰大海，人類在探索月球的道路上將永不停歇。

We choose to go to the Moon...not because it is easy，but because it is hard

——John F.Kennedy

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來源：中國科學院月球與深空探測總體部、中國科學院國家空間科學中心