“嫦娥五號”讓月球有水“實錘” 但水的來源存爭議

近日,中科院地質地球所行星科學團隊在《科學進展》上發表論文,研究結果顯示嫦娥五號探測器發現月壤、月岩中存在微量水,這是人類月球原位探測的重大發現,也讓月球上是否有水的爭議塵埃落定。那麼,月球上的水來自哪裡?是否可以為人類所用呢?

“嫦娥五號”讓月球有水“實錘”  但水的來源存爭議

月球是否有水爭論多年

月球是距離地球最近的大型天體,古時候人類對月球有着美好的想象,編織出如夢似幻的神話故事。然而,天文學家早就發現月球是一個沒有大氣,遍布隕石坑的“死星”。儘管如此,1952年氘的發現者、美國化學家哈羅德·尤里提出了月球上的永久陰影區可能存在水或類似的揮發性物質。

雖然當時人類沒有能力探測和驗證這一推測,但上世紀60~70年代的美蘇探月和登月競賽,為月球找水提供了可能。1969年,阿波羅11號載人飛船首次登月成功,但無論是月面儀器還是航天員帶回的樣品,都沒有發現月球有水的證據。一時間,月球是乾燥無水的星球成為共識。

“嫦娥五號”讓月球有水“實錘”  但水的來源存爭議

這一時期,蘇聯通過“月球16號”“月球20號”和“月球24號”3次成功的取樣返回探測任務,採回了約300克月壤月岩樣品。蘇聯科研人員通過分析月壤樣品發現,月壤中存在微量的水。

事實上,“阿波羅”任務取回的樣品也有類似發現,但美蘇檢測到月壤中水的含量都很低,更重要的是,都無法排除月壤返回地面後接觸水蒸氣的可能性,也就導致不能肯定地宣布月球上有水存在。

“嫦娥五號”讓月球有水“實錘”  但水的來源存爭議

隨着遙感技術的進步,以及上世紀90年代月球探測的回潮,月球找水進入新階段。1994年,美國科研人員通過克萊門汀探測器的雷達對月球兩極進行了探測,發現疑似冰存在的證據。1998年,美國“月球勘探者號”通過伽馬射線儀和中子頻譜儀,探測到月球極區富含氫元素,為水的存在提供了旁證。

隨後,各國加大探測力度,美國月球勘測軌道飛行器用更靈敏的種子探測器和萊曼-α探測器,在月球南極環形山中探測到水和羥基信號。印度“月船一號”上的M3探測器也在月球極區發現了羥基信號。2009年,美國使用LCROSS探測器撞擊月球,攜帶的紅外和紫外分光計發現了水和羥基信號。然而,3微米的紅外波段不能區分水和羥基,無法作為不可辯駁的證據。

實際上,月球上的水不止存在於永久陰影區。2020年,美國宇航局宣布,SOFIA在2018年8月的飛行觀測中,發現月球南部克拉維烏斯環形山附近有6毫米紅外輻射。SOFIA是一個攜帶2.5米望遠鏡的波音747飛機,而6毫米紅外光是水分子受熱振動產生的,這個發現證明月球表面存在水分子而不僅是羥基。

“嫦娥五號”讓月球有水“實錘”  但水的來源存爭議

SOFIA發現克拉維烏斯環形山附近的水濃度為100~400ppm,也就是每噸月壤含有100~400克水。不過,月球有水的最新證據,是來自 “嫦娥五號”。

“嫦娥五號”讓月球有水“實錘”  但水的來源存爭議

美國找到月球有水的證據,不是來自SOFIA這個地球同溫層觀測平台,就是月球軌道上的環繞器,而“嫦娥五號”軟着陸對月壤進行原位探測,估算出了月壤含水約為120ppm,月岩含水量約180ppm,這是人類首次通過原位探測證明月球有水,算是實錘了月球有水存在的證據。

水的來源依舊存爭議

月面白天溫度最高可達160攝氏度,夜間最低能降到零下180攝氏度。在這樣嚴酷的環境下,液態水早就蒸發殆盡。那麼,月球上的水到底來自哪裡呢?

首先我們要知道,月球上並沒有直接發現遊離的液態水或冰,甚至沒有發現主要成分是羥基的礦物,無論是遙感還是原位探測,月球上的水是通過水分子和羥基的紅外信號,折算出來的含水量,這些“水”很可能是月球礦物晶格中的結晶水和結構水,或以其他詭異的狀態苟延殘喘。

更進一步說,月球表面的含水量是微乎其微的,月岩180ppm的含水量相當於1噸月岩中只有180克水,這點水不要說和大多數地球土壤相比,就是和乾燥的沙漠對比都少得可憐。沙漠中沙子的含水量每噸一般在2公斤到十幾公斤,而月壤中的水不到地球沙漠含水量的1/10。

目前,科研人員對月球上水的來源提出了3種不同說法:

第一種推測,月面的水是太陽風吹來的。太陽風不僅會吹走火星大氣,它也含有大量的氫,當太陽風吹到月球表面時,太陽風中的氫和月壤礦物中的氧結合形成羥基甚至水分子,並在月壤中保存下來。科研人員認為,月壤中大部分的水是太陽風吹來的。

第二種假說,月面的水是彗星撞來的。來自外太陽系的彗星含有大量的水冰,它們進入內太陽系在陽光照耀下揮發,但也有些彗星撞擊到月球,帶來寶貴的水。彗星撞擊時絕大部分的水都蒸發逃逸不復存在,但也可能有一部分水滲入月壤,保存下來成為月壤中的水。

第三種猜測,月球岩石本身就含有水。固態星球礦物含水本就順理成章,以近期湯加火山大噴發為例,火山噴發的氣體中絕大多數都是水蒸氣。科研人員在“阿波羅”取回的月球樣品中,發現部分礦物中含有極少的水,可以支持這個猜測,而嫦娥五號着陸器發現月岩含水量遠高於月壤,尤其是它探測的那塊月岩,本身形成於月球深處,是隕石撞擊濺射出來的,這為月球水的內生說提供了有力證據。

“嫦娥五號”讓月球有水“實錘”  但水的來源存爭議

綜上所述,月球上的水既可能是太陽風吹來的,也可能是月球形成時岩漿本身就有的,還可能是彗星等深空天體撞擊帶來的。根據“嫦娥五號”的探測分析結果,月壤中的水絕大部分是太陽風貢獻的,而月岩的水多數應該是岩漿凝固前就有的。

月球取水還得看極地

月球有水的喜訊聽到了多次,但較真地說,目前月球有水,還只是對水分子甚至羥基進行光譜探測的結果,最多只能證明月球表面存在水分子,要說存在水蒸氣、水冰,甚至是液態水等貨真價實的遊離水,仍然有待發現。

水是生命之源,雖然科學探測發現月球上有水,但在嚴酷的環境下月球無法誕生生命。即使如此,水的存在也讓月球成為了一個別具吸引力的地方。很多人甚至一些科研人員寫的論文都在大膽暢想,如果能有效開採和利用月球上的水,將能幫助航天員維持在月球上的活動,甚至製取氫氧推進劑,服務載人登陸火星的計劃。

美國商業公司表示,要利用月球上的水製取推進劑,為深空探測器、載人飛船和靜止軌道衛星補加推進劑,讓月球上的水成為有利可圖的資源。

儘管如此,美國SOFIA和“嫦娥五號”對月面探測找水的結果,都表明月面的水含量太低,直接從月壤製取水的難度和成本太高,至少在月球探測和開發初期是缺乏經濟價值的。

另外,目前的遙感探測表明,月球兩極的永久陰影區應該存在豐富的水資源。雖然月球極區存在水冰或富含揮發水的礦物,還只是根據遙感探測數據的合理猜測,但月球基地永久陰影區的含水量要比SOFIA和“嫦娥五號”探測的月面中低緯度地區高很多。

“嫦娥五號”讓月球有水“實錘”  但水的來源存爭議

暴露在陽光下的月壤、月岩中存在水,固然是科學上的重大發現,但在工程上尤其是人類未來建設月球基地,甚至是月面製取推進劑,這麼低的含水量顯然缺乏實用價值,因此,人類要利用月球上的水,還得深入月球南北極的永久陰影區。

未來,我國“嫦娥七號”將攜帶飛躍探測器,對月球極區隕石坑的陰影區進行原位探測,我們期待它帶來更勁爆的好消息。

/張雪松

本文轉自中國航天報

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上一篇 2022-01-24 15:58
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