潮溼的土壤：盤點人類探月的「水情結」

2020-10-30 知識就是力量雜誌

作者/張唯誠

近日，據美國國家航空航天局（NASA）官網介紹，索菲亞平流層紅外天文臺（SOFIA）首次證實，受到陽光照射的月球表面有水存在。這也意味著，水可能不僅在寒冷陰暗的地方分布，也可能分布在月球表面。

索菲亞平流層紅外天文臺（SOFIA）首次證實，受到陽光照射的月球表面有水存在

最近幾年是人類探月的豐收年。因為在這幾年裡,來自多方的研究和探索都證實了月球是一個有水的星球，這是科學家們殷切期待的結果，也是現代天文學的一項重大成果。幾十年來，科學家們一直期盼在月球上找到水，「找水」成了人類探月的揮之不去的"情結」。

「冰茶理論」

「現在的月亮已不同於我們父輩時期的月亮了，它不再是死寂和和無變化的，而是一個非常活躍和有趣的世界。」美國加利福尼亞大學的天文學家格雷格·德洛瑞(GregDelory)這樣說。對於德洛瑞這樣的天文學家來說，月亮的確很不一樣了，因為在他們的眼裡，月亮已成為了一個潮溼的世界。
然而在伽利略把望遠鏡指向月亮以前，月亮在人們的眼裡是更加「活躍和有趣」的，人們把月亮上的暗區稱為「maria", 在拉丁語中，「maria」就是海洋的意思，所以在17世紀以前的人看來，月亮是一個充滿了液態水的地方。這個夢幻似的觀點是被望遠鏡給無情毀滅的，人們在望遠鏡中看到了點綴在「maria」中的隕石坑，這才知道月亮上的「海洋」其實並不存在，不過我們今天依然把月亮上的大片暗區稱為「月海」。

月球正面（左圖）比背面（右圖）有更多暗色月海 （供圖/侯軍）

從那時開始，月亮很乾燥的觀點一直延續了下來。1969年，「阿波羅11號」的兩名太空人著陸在了一片「月海」中，他們看到的「月海」是一片乾燥的由火山熔巖構成的平原，而科學家們在研究了「阿波羅計劃」帶回的月巖和月壤樣本後也宣布說月球是乾燥的。依照他們的形容，那些樣本「像骨頭一樣乾燥」，然而事實上，骨頭比那些樣本「潮溼」得多，因為活體生物的骨頭是含有不少水分的，其重量大約佔總重量的10%。
20世紀70年代，加利福尼亞大學的詹姆斯·阿諾德(James Arnold)建議在月極附近找水，那裡是阿波羅計劃沒有到達的地區，且終年難見陽光。阿諾德指出，月極附近較深的隕石坑裡不會有陽光照進去，這樣的隕石坑能起到收集水和其他易揮發物質的作用，可稱之為「冷井"(cold traps)。

美國田納西大學的月巖專家拉裡·泰勒(Larry Taylor)將「冷井」比喻為一杯夏天的冰茶,他說，「假若你仔細觀察夏天的冰茶，你便能看到這杯冰茶如何收集空氣中的水分，並凝結成水滴，『冷井』就起了那樣的作用。」
這種「冰茶理論」最終得到實踐的機會是1994年，那年的1月25日，美國發射了「克萊門汀」(Clementine)月球探測器。

「克萊門汀」(Clementine)月球探測器 圖片來源/網絡

2月6日，「克萊門汀"開始繞月飛行，在這個過程中，它對月球拍照，從事勘測活動，其中一項實驗是向月球南極附近的一處隕石坑發射無線電波,這些電波發射後被地球上的天線接收，科學家分析了那些電波後發現，反射波似乎來自於含水冰的物質，不過這並不能證實隕石坑裡真的有水，因為粗糙的表面也能產生那樣的反射波。
又過了4年，另一艘月球探測器「月球勘測者號」(lunar prospector)使用中子光譜儀探測到月球南北極的隕擊坑裡含有豐富的氫。科學家認為，那些氫來自於隕擊上中豐富的水，他們由此估計，月球上可能有1000萬~60億噸水。為了證明月球上水的存在，科學家最後讓「月球勘測者號"撞擊月球南極，他們估計撞擊會在月球表面釋放40磅水蒸氣，這樣一來，光譜儀就能夠測出水分的存在了，然而預想的結果並沒有在撞擊後出現。

凱布斯隕石坑

進行過類似嘗試的還有歐洲空間局的「智慧一號"(SMART-1)，這枚探測器於2006年也企圖通過撞月偵測月球上的水冰信號，結果也失敗了。科學家認為，這兩次失敗有三種可能，要麼是月球上根本就沒有水；要麼撞擊點不理想，因而沒有產生理想的結果；還有一種可能是探測器太小，撞擊產生的水蒸氣太少，所以不足以讓儀器偵測到。

「潮溼"的月壤

轉機出現於2008年，這一年10月，「月球一號"(Chandrayaan-l)發射升空，它的上面裝配有一部由美國航空航天局提供的儀器——「月球礦物學繪圖儀」(MoonMineralogy Mapper)，這種儀器能使科學家們在它獲取的數據中準確地發現探測目標所擁有的化學成分。很快，「月球礦物學繪圖儀」通過探測月球表面反射光的光線波長顯示了月球上有水分子和氫氧基存在的跡象，它偵測到反射的光波中缺少紅外線波長，表明這段光線被水分子吸收了。
開始的時候，科學家們並不相信這樣的結果， 但很快，他們在其他地方找到了更多的證據。1999年，土星探測器「卡西尼號」在前往土星時途經月球，它上面的成像分光計也探測過月球。經過一番討論,科學家們一致認為，「卡西尼號」上的成像分光計也發現過月球上微弱的水和氫氧基分子存在的信號。

與此同時，正在執行太空任務的「深度撞擊號」(Deep Impact)也為科學家們帶來了月球有水的新證據，因為這枚探測器同樣攜帶了一架成像分光計，它原本的任務是於2010年11月4日飛越哈特利2號彗星(103P/Hartley2),但在前往目標的途中，科學家們讓它數次近距離地接近了地月系統，在這個過程中，「深度撞擊號」也探測到了月球表面存在著水分子和氫氧分子的信號,它還發現,這種信號在月球的極區最為強烈，並且顯示整個月球表面都是含水層。

不過這枚探測器也同時發現，水分子和氫氧分子的信號似乎在月球的「正午」消失了，只有在「日落"和「日升」的時候才會出現，人們稱之為「露珠」現象。為什麼會這樣呢？科學家解釋說，這是由於月壤中的水分子極少的緣故。

事實上，月壤中的含水量比地球上最乾燥的沙漠還要少。2009年9月25日,科學家們終於在新出版的《科學》雜誌上發表文章說,根據來自「月球一號」「卡西尼號」和「深度撞擊號」的探測數據,他們已證實月球是一個有水的世界。

研究表明，這次探測到的月球水是隱藏在月壤裡的。月面由巖石和風化層構成，其中大量成分是氧。在月球上，太陽風無時無刻地撞擊著月面，並與巖石和土壤發生交互作用。太陽風是太陽噴射出的帶電粒子流，它主要由質子或帶正電荷的氫原子組成。

科學家推測，當這些帶電的氫原子以1/3光速衝擊月球表面時，它們會分解月壤礦物質中的氧價分子，一旦有了游離狀態的氧分子和氫分子，水分子就很容易形成了。探測表明，月球表面每立方米的土壤中大約含有一升水，它們存在於月壤最上層很薄的範圍內。探測還顯示，在月球寒冷的兩極處，水的含量更豐富一些，這表明水在月壤中形成後似乎會逐漸向溫度較低的地區移動。

太陽風中氫原子分解了月壤中的氧分子

此前，科學家們一直認為，如果月球上真的存在水，那些水只會存在於極地的永久陰影區裡，月球的其他區域應該是完全乾燥的。現在，新的發現表明事實並非如此，水也可以存在於月壤中，這是人類月球找水的重大突破。


本文來自《知識就是力量》雜誌

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