中国国家天文：月球上的水

<p>　　引子 </p><p>　　2009年11月，美国宇航局(NASA)宣布，同年6月发射、作为美国“重返月球”计划第一步的月球勘测轨道器(LRO)上的子探测器——月球坑观测和传感卫星(LCROSS)撞击月球获得重要成果，撞击过程的分析数据表明，月球上确实有水。 </p><p>　　2010年3月1日，NASA又宣布，由其负责研制、搭载印度2008年10月22日发射的“月船一号”探测器的一台微型雷达探测取得重要进展，获得了月球水冰存在的有力证据。 </p><p>　　正如上世纪90年代“克莱门汀”号和“月球勘探者”号发现月球极区存在水冰而掀起人类重返月球的热潮一样，近期，有关月球有水的多条消息相继发布，吸引了人们的广泛关注，进而引发对建立月球基地并长期驻留月球的无限遐想。 </p><p>　　</p><p>　　一个老话题 </p><p>　　月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思？沃森等在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，表层和次表层温度常年维持在40K左右(相当于―223℃～―233℃)。原始月球脱气作用产生的水，以及彗星和小行星撞击月球携带至月表的水，在这样的低温条件下逃逸进入宇宙的概率很小，很可能会以水冰的形式长期保存下来。他们推测，月球两极撞击坑中可能存在大量水冰。 </p><p>　　在月球水冰设想提出后的30余年间，许多科学家进行了多方面的探索，但无论是早期的绕月探测器、不载人的着陆探测器以及“阿波罗”载人登月的实地考察，还是月球样品和月球陨石在实验室内的精细研究，都没有找到月球上存在有水的确凿证据。因此大多数科学家认为，月球表面不存在任何形式的水，并提出四个方面的主要事实来支持这种观点： </p><p>　　事实之一，月球岩石主要是岩浆冷却形成的各类火成岩，没有发现与水作用有关的沉积岩(包括砂岩、页岩和石灰岩等)； </p><p>　　事实之二，月球的主要矿物是常见的无水矿物，即辉石、斜长石、橄榄石、钛铁矿、尖晶石等，没有发现任何原生的和次生的含水矿物，如粘土、云母、石膏等； </p><p>　　事实之三，在月球上没有发现大气、水体和生物等能够证明水存在的痕迹，而在火星上则发现了大量的类似河谷系统、冲击平原、流水刻蚀岩层等水流作用的痕迹； </p><p>　　事实之四，月球表面在数十亿年间经历了无数小天体的频繁撞击，月球即便曾经有水，撞击过程产生的高温熔融也早已使这些水逃逸。加上月球没有大气层、引力束缚小等因素，使得月球表面很难保有水的存在。 </p><p>　　</p><p>　　曾经的探测 </p><p>　　美国“克莱门汀”号的雷达探测 </p><p>　　1994年1月25日，美国发射“克莱门汀”号月球探测器，该探测器上搭载了一台双基地雷达(也叫“双站雷达”或“收发分置雷达”)。这台雷达的探测原理是从航天器向月球表面发射电磁波信号，在地球上接收反射回来的电磁波，根据回波信号来推断月球表面的一些性质。 </p><p>　　如果月球表面的探测目标中含有冰冻挥发物(如水冰)，回波信号会展现出与无水月壤不同的极化方式和能量特征。1994年4月，当“克莱门汀”号绕月第234圈，运行到月球南极上空200千米高度，并与月球、地面接收站在一条直线上时，雷达回波出现特殊散射效应，即雷达回波不呈现无水月壤所应具有的特征，而呈现出挥发性冰的特征(可能混合有土壤和沙砾)。由此来看，月球两极水的存在“似乎”第一次有了直接证据。 </p><p>　　根据斯图尔特？诺泽特等1996年发表在《科学》杂志的研究结果，产生异常回波的区域正好位于月球永久阴影区，而太阳照射到的月表区域的回波则没有发生异常。月球北极地区没有大的盆地，永久阴影区面积约为530平方千米，而南极地区存在直径大于2500千米、深度达12千米的爱肯盆地，永久阴影区面积约为6361平方千米。因此，南极地区的水冰可能比北极地区更多。 </p><p>　　但也有科学家认为，根据“克莱门汀”号上的雷达探测结果既不能肯定水冰的存在，也无法确定水冰的准确储量。因为该雷达在极地观测时采用82°～90°的大入射角，这本身就可能导致异常回波。而且，那些非水冰的低损耗物质、粗糙月表等因素，同样也会引起回波异常。 </p><p>　　事实上，早在1992年，美国康纳尔大学的博士生斯泰西利用全球最大的306米口径射电望远镜改造的雷达，以125米的空间分辨率对月球极地进行地基观测，试图搜寻月球极地永久阴影区的水冰。雷达波长和入射角与“克莱门汀”号上的雷达相似，但两者的观测结果却存在部分不一致。地基雷达观测没有发现任何一块面积大于1平方千米的区域存在回波异常，这至少表明月球极区不存在大面积分布的水冰。虽然地基雷达也发现月球上有些小区域存在回波异常，但这些区域中居然有些是位于太阳照射区，而非永久阴影区。甚至在月球北纬47°(中纬度)的虹湾地区也发现了回波异常。这显然是非常令人困惑的结果。 </p><p>　　总之，认为“克莱门汀”号雷达回波异常是月球水冰引起的观点一直受到广泛争议。但无论如何，月球极区有无水冰的问题再次引起了学术界、媒体和公众的广泛关注。 </p><p>　　</p><p>　　美国“月球勘探者”号的中子探测 </p><p>　　1998年1月7日美国发射“月球勘探者”号探测器，其搭载的中子探测仪可以测量月球表面氢的含量。由于氢很可能是以水分子的形式存在，所以氢信号的强弱可以间接反映水含量的多少。探测结果显示，在月球两极地区存在丰富的氢，而且北极的氢信号比南极稍强，据此推测月球极区可能含有丰富的水冰。通过分析探测数据认为，这些区域月壤中的水冰含量约为0.1%～0.3%，存在形式可能是以冰粒和月壤混合物(俗称“脏冰”)，分布深度约为月表40厘米深处，两极水冰总有效面积约为1850平方千米。据专家估算，月球极区水冰的总储量约66亿吨。 </p><p>　　相对雷达探测，中子探测结果引起的争论相对要小得多，它似乎为水冰的存在提供了新的证据。但中子探测反映的只是两极永久阴影区存在大量氢，而这些氢是以水冰还是别的物质形式存在，又成为各方争论的焦点。 </p><p>　　1999年7月31日，“月球勘探者”号以每小时6115千米的速度向月球极区预定目标撞去，科学家原本估计撞击将激发约18千克的水蒸气供地基和空基观测，希望得到无可争议的水冰存在的证据。遗憾的是，“月球勘探者”号撞击后却没有出现期待中的水汽云，哈勃空间望远镜和德克萨斯大学麦克唐纳天文台都没有观测到任何有关水的信息。 </p><p>　　</p><p>　　最新的进展 </p><p>　　美国发现“阿波罗”月球样品中存在水 </p><p>　　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所导致的，其理由当然是在“阿波罗”登月采集的的月球样品中没发现水。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近期被推翻了。根据美国布朗大学的阿尔贝托？萨尔等2008年发表在《自然》杂志上的文章，他们在“阿波罗”样品的火山玻璃中也发现了水，含量与苏联科学家宣布的大致相当。 </p><p>　　</p><p>　　印度“月船一号”的微型雷达探测 </p><p>　　由于目前发现月球上存在水的地区基本上都位于南北极的永久阴影区内，这些地区由于地处高纬度，太阳每次基本上在地平线上划过，光线不能照射到撞击坑的底部，因此，可见光相机和其它需要依赖太阳光反射或激发的仪器都不能看到这些撞击坑底部的景象。而雷达探测不依赖光照，可以对月球两极永久阴影区进行成像，可望获得撞击坑底部的地形和水冰是否存在的确凿证据。 </p><p>　　美国人给印度“月船一号”探测器提供了多套科学仪器，其中就包括一台微型的合成孔径雷达。由于“克莱门汀”的雷达探测结果受到争议，这次“月船一号”上的微型雷达在设计时采用了与“克莱门汀”雷达不同的工作方式，即发射左旋极化信号，接收水平极化和垂直极化的反射信号，这种工作方式可以保留反射信号的全部信息，从而明确判断回波异常到底是由水冰—月壤混合物引起的，还是干燥岩石引起的。 </p><p>　　根据今年3月在休斯敦召开的第41届月球与行星科学会议上公布的结果，微型雷达在月球北极发现有40多个大小不等(直径大约1.6千米～15千米)的撞击坑底部具有异常的回波特征，而坑外围却没有异常。在月球南极也发现了类似的现象。这说明，在这些坑内存在水冰。据初步估算，月球北极的40个撞击坑内大约有6亿吨水冰。而且，在未来可能选址作为月球基地的南极休梅克撞击坑内，也发现了水冰。 </p><p>　　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。 </p><p>　　</p><p>　　印度“月船一号”的光谱探测 </p><p>　　光谱探测利用的是“月船一号”上搭载的另一台科学仪器——由美国提供的月球矿物制图仪。2009年10月，美国布朗大学行星地质学家卡尔？皮埃特斯等在《科学》杂志上发表其研究成果。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(由一个氢原子和一个氧原子组成)，或可能是水的光谱信号。 </p><p>　　虽然以前也曾经在月球探测中发现过类似的光谱信号，但都没有得到应有的重视。比如，1996年～1999年，美国MMT天文台台长费思？维拉斯及其同事利用地基望远镜开展了对月观测，在月球极区发现了水合物的光谱信号。但由于极区大部分地区都出现了水合物的光谱信号，其中有些地区的白天温度甚至可能超过100摄氏度(水的沸点)，因此这一研究结果备受质疑，以至没有一家期刊愿意发表他们的论文，使这一结论在10年后的2008年才得以发表在一家鲜为人知的日本刊物上。 </p><p>　　此外，1997年10月发射的卡西尼号土星探测器，在1999年9月借力地球飞行时曾经对准月球开展过探测，2005年1月“深度撞击”号空间探测器在发射几天后奔赴彗星的途中，也曾经对准月球开展了短暂探测。这两个探测器上的光谱仪都探测到了类似水的光谱信号。但这些信号非常微弱，几乎淹没在背景噪声信号中，也没有得到应有的重视。 </p><p>　　这次月球矿物制图仪获得的结果与其它几次月球光谱探测的结果一致，因此，部分专家认为，目前基本上可以证实月球上确实存在很多水。由于光谱仪只能探测表面几毫米的深度，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。按照地质学理论，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。 </p><p>　　</p><p>　　LRO的中子探测 </p><p>　　与前面提到的“月球勘探者”号的探测原理相似，LRO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(氢存在的最直接形式为水)。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，即前面提到的“脏冰”。但令人费解的是，在温度较高、日照强烈的三个撞击坑外围地区，也发现了丰富的氢。 </p><p>　　</p><p>　　LCROSS的撞月结果 </p><p>　　LCROSS由“牧羊”航天器和“半人马座”火箭两部分组成，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。遗憾的是，LCROSS的撞击规模和亮度都远低于预计，地面和其它空间探测器上的观测设备甚至没能观测到明显的撞击效果，与撞击前的高调宣传形成很大的反差。 </p><p>　　今年3月，NASA专门召开新闻发布会，宣布LCROSS的撞击成功地证实月球上确实有水。据报道，“半人马座”火箭撞击产生的溅射物包括两部分，一部分由密度较小的蒸汽和粉尘组成，在撞击后腾空而起；另一部分由密度较大的岩石块和月壤颗粒组成，撞击后向四周抛射。在这次不甚成功的撞击后，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。 </p><p>　　科学家们首先排除了“半人马座”火箭污染月表的可能性，接着他们用水和其它物质已知的近红外光谱信号，同LCROSS近红外光谱仪在撞击中获得的光谱信号进行对比，发现只有月壤与水的混合光谱，才与LCROSS获得的光谱相似。而月壤与任何其它含羟基化合物的混合光谱都无法与LCROSS的观测结果相匹配。 </p><p>　　LCROSS首席科学家安东尼？克拉普雷特说，“我们简直欣喜若狂，有多重证据表明，水同时存在于上述两部分溅射物中。虽然水的浓度和分布还需进一步分析，但可以肯定的是，凯布斯坑中确实有水存在。” </p><p>　　另外，紫外光谱仪在撞击溅射物中也检测到了羟基产生的发射光谱特征，进一步证实了水的存在。 </p><p>　　</p><p>　　结语 </p><p>　　由于遥感探测手段的限制，目前探测月球是否存在水冰只能采用间接方式，还无法直接测量水分子的存在，所以虽然人类早就发现了月球有水的端倪，但一直缺乏直接证据。例如，中子探测仪发现月球上特别是极区的氢含量很高，但氢可能以其它化合物的形式存在，不一定证明有水；雷达探测主要根据月壤对雷达波的反射来推测月壤内的物质，探测结果发现月球上存在类似冰块或冰层的反射体，但这些反射体也可能是别的物质，不一定是水冰；光谱探测发现月球上的羟基含量很高，但羟基也可能是以其它化合物的形式存在，不一定是水。这就使得不同科学家对同一探测结果有两种甚至几种不同的解释，从而引发对月球是否确实有水的争议。 </p><p>　　但此次多个探测器采用不同探测手段获得的探测结果，一致支持月球有水的解释。特别是光谱探测的结果发现月球上有丰富的羟基存在，而进一步研究发现，只有月壤与水的混合才能符合光谱探测结果，月壤与其它任何含羟基化合物的混合都无法符合光谱探测结果，这使得月球有水几乎得到确证。而且，与以前的预测相比，水的分布范围可能更广泛。 </p><p>　　如上所述，目前认为月球上水的存在形式主要有三种。第一种是与矿物结合的结晶水，这种结合非常牢固，只有月壤被加热到几百摄氏度的时候才能释放出来，月球白天温度100多摄氏度还无法使这些水逃逸，这也就解释了为什么在月球的中低纬度地区和太阳光照射地区仍然能探测到水的原因；第二种是与月壤以冰尘混合物形式存在的“脏冰”，这种冰只能存在于温度极低的永久阴影区内，含量约为0.1%，很难收集和利用，对未来月球基地没有利用价值；第三种就是以冰块或冰层形式埋藏在月壤内的水冰。 </p><p>　　就目前的技术水平而言，月球水冰的发现只有研究上的意义，还不具备开发利用前景。但接下来科学家还需要回答一系列问题，如，月球上的水是从哪里来的？是否来源于太阳风喷射到月球的连续质子流？或是彗星和小行星的撞击带去的？这些水在月球上是怎样移动的？在月球上的水中，被矿物吸收的结晶水占多大比例，与月壤以“脏冰”形式存在的水又占多大比例？最可能有利用价值的冰块或冰层分布在哪里？这些问题可能还需要数年的研究才会真相大白。 （郑永春 邹永廖 李佳）</p><p>　　来源： </p><p>　　</p><p>　　</p><p>　　</p><br />