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通過(guò)比較進(jìn)入磁層之前、期間和之后月表水含量的變化，山東大學(xué)空間科學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了地球風(fēng)(主要是來(lái)自地球大氣層的氧、氮、氫等離子)可以補(bǔ)充月表蒸發(fā)的水。因此，除了太陽(yáng)風(fēng)，地球風(fēng)同樣可以與月球表面物質(zhì)相互作用而生成水。

月球是距離地球最近的天體。長(zhǎng)久以來(lái)，月球都被認(rèn)為是人類(lèi)最可能實(shí)現(xiàn)星際移民的理想地點(diǎn)。雖然早在20世紀(jì)60年代，人類(lèi)就已踏足月球表面，但若想實(shí)現(xiàn)月球移民，甚至建立月球基地，還有一個(gè)十分重要的資源問(wèn)題需要解決——水。

月球上是否存在水?1961年，美國(guó)科學(xué)家肯尼思·沃森等人率先提出了月球可能存在水冰的設(shè)想。幾十年來(lái)，科學(xué)家一直在尋找月球水存在的證據(jù)及其可能的來(lái)源途徑。近日，一篇發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》的研究文章指出，從地球上層大氣逃逸的氫和氧離子，或在月球上結(jié)合，成為月球上已知水冰的可能來(lái)源之一。

目前，月球水已然成為國(guó)內(nèi)外行星科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。月球水既具有重要的科學(xué)意義，也蘊(yùn)含著潛在的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)其展開(kāi)研究不僅有助于理解月球演化歷史，更有助于未來(lái)月球科研站、月球基地等的建設(shè)，為動(dòng)植物生存、火箭燃料等提供關(guān)鍵資源。

巨大的溫差讓月表沒(méi)有液態(tài)水

與地球不同的是，月球本身沒(méi)有全球性磁場(chǎng)，也沒(méi)有濃密大氣的保護(hù)，其表面直接暴露在極端溫度和惡劣的太空真空環(huán)境之中。此外，月球表面的平均溫度可以從白天的約100攝氏度，下降到夜晚的零下150攝氏度左右，如此大的溫差使得液態(tài)水無(wú)法穩(wěn)定存在。因此，此前人們普遍認(rèn)為月球如同沙漠一般干燥無(wú)水。

但隨著觀測(cè)研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球極區(qū)有些撞擊坑底部的永久陰影區(qū)，終年不受太陽(yáng)光照射，溫度極低，在真空條件下，水冰可能穩(wěn)定存在。

20世紀(jì)90年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“克萊門(mén)汀”號(hào)探測(cè)器上雷達(dá)在月球南極永久陰影區(qū)的回波存在異常;NASA“月球勘探者”號(hào)探測(cè)器上的中子譜儀顯示月球永久陰影區(qū)有大量的氫。

昏暗無(wú)光的永久陰影區(qū)，聚集了尋找月球水的目光?？茖W(xué)家希望能夠在月球永久陰影區(qū)找到月球水存在的證據(jù)。

2010年，美國(guó)的衛(wèi)星撞擊月球的永久陰影區(qū)，在濺射的塵埃中發(fā)現(xiàn)了大量的水冰，證實(shí)了月球水的存在。2020年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)首次通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)證實(shí)月球表面存在水;2022年1月，我國(guó)嫦娥五號(hào)月球著陸器首次獲得月表原位探測(cè)數(shù)據(jù)，月球存在水從此有了“現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)”。

如今，科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)月球遙感探測(cè)、返回月球樣品分析以及撞擊實(shí)驗(yàn)等多種研究手段，發(fā)現(xiàn)了月球水主要以3種形式存在：兩極永久陰影區(qū)的水冰、部分區(qū)域來(lái)自月球內(nèi)部的巖漿成因水以及以羥基或水分子形式遍布月球的月表水。

月球水有內(nèi)外兩種可能來(lái)源

雖然已有種種“實(shí)錘”表明了月球水的存在，但這些水究竟是怎么來(lái)的，目前還沒(méi)有一個(gè)定論?？茖W(xué)家認(rèn)為，月球水有兩種可能的來(lái)源，即來(lái)自月球內(nèi)部和外部。具體而言，月球水可能來(lái)自月球內(nèi)部的巖漿，或來(lái)自外部太陽(yáng)風(fēng)轟擊，彗星、流星體和微流星體的撞擊等。

關(guān)于月球巖漿水，此前科學(xué)家在分析阿波羅月球樣本時(shí)就曾發(fā)現(xiàn)巖漿水，但當(dāng)時(shí)科學(xué)家一直以為是樣本受到了地球“污染”。2013年8月，美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究人員利用印度“月船一號(hào)”探測(cè)器上攜帶的月球礦物繪圖儀，對(duì)位于月球赤道附近的布利奧隕坑進(jìn)行成像分析，發(fā)現(xiàn)布利奧隕坑中心峰含大量氫氧基。研究人員認(rèn)為這是布利奧隕坑含有月球深部巖漿水的直接證據(jù)，表明月球在形成之初就有可能存在水。

2011年，科學(xué)家對(duì)阿波羅飛船帶回的月球表面巖石標(biāo)本進(jìn)行了分析。他們重點(diǎn)測(cè)量了標(biāo)本中一類(lèi)名為磷灰石的礦物所含的氫同位素組成比例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其組成比例與3個(gè)已知彗星中的氫同位素組成比例接近。由此研究人員認(rèn)為，彗星是月球上水的主要來(lái)源之一。

不過(guò)，月球的紅外光譜數(shù)據(jù)表明整個(gè)月球的表面都存在水，并且月球在早晨和晚上溫度較低時(shí)水含量較高，在中午溫度較高時(shí)水含量較低。而月球內(nèi)部巖漿水，以及來(lái)源于彗星和流星體的水，在月球表面分布較為分散，并不能完全解釋整個(gè)月球表面都存在水以及水的日間變化特征等。

所以，目前的主流理論認(rèn)為，來(lái)自太陽(yáng)的太陽(yáng)風(fēng)包含著帶正電的氫離子，它們持續(xù)轟擊月球表面，與月表物質(zhì)中的氧原子結(jié)合，生成了分布在全月球的羥基或水分子。這一理論能夠很好地解釋已被觀測(cè)證實(shí)的月球水日間變化等現(xiàn)象，同時(shí)也得到了阿波羅月球樣品氫同位素分析和氫離子轟擊實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

科學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)風(fēng)生成的水在太陽(yáng)光照的加熱下“蒸發(fā)”，其中一部分遷移并沉降到溫度極低的兩極永久陰影區(qū)，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，兩極儲(chǔ)藏了大量水冰。

因此，太陽(yáng)風(fēng)被認(rèn)為是月球水的主要來(lái)源之一。

地球風(fēng)也是月表水的成因之一

不過(guò)，月球并不總是“沐浴”在太陽(yáng)風(fēng)中，每月還有3—5天位于地球磁尾中。滿(mǎn)月前后2—3天內(nèi)，月球位于地球磁層內(nèi)，屆時(shí)太陽(yáng)不再轟擊月表生成水，先前由太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生并蘊(yùn)藏于月表的水，在太陽(yáng)光照的加熱下會(huì)大量“蒸發(fā)”。所以，理論上月表的水應(yīng)該相應(yīng)地有所減少。

然而出乎意料的是，山東大學(xué)空間科學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)在分析“月船一號(hào)”探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，月球位于地球磁層內(nèi)時(shí)，月球表面的水卻并未顯著減少。通過(guò)比較進(jìn)入磁層之前、期間和之后月表水含量的變化，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了地球風(fēng)(主要是來(lái)自地球大氣層的氧、氮、氫等離子)可以補(bǔ)充月表蒸發(fā)的水。因此，除了太陽(yáng)風(fēng)，地球風(fēng)同樣可以與月球表面物質(zhì)相互作用而生成水。

此前，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授宗秋剛發(fā)現(xiàn)地球磁層中有氧離子向月球方向運(yùn)動(dòng);在此次最新研究中，研究人員從重力異常的角度分析，地球風(fēng)轟擊月球表面形成的水，可能通過(guò)各種地質(zhì)過(guò)程儲(chǔ)存在月球兩極。

為何科學(xué)家如此“執(zhí)著”追尋月球水的來(lái)源?要知道，水在類(lèi)地行星的地質(zhì)演化中，具有舉足輕重的作用。探明月球水的來(lái)源，或能幫助科學(xué)家揭示月球的身世之謎。

月球大撞擊成因理論認(rèn)為，月球是由地球與一個(gè)火星大小的天體發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的熾熱碎片形成的。在這個(gè)形成過(guò)程中，由于高溫及劇烈活動(dòng)，在月表形成了一個(gè)全球性的巖漿洋。不過(guò)，也正是由于高溫，科學(xué)家認(rèn)為月球上的揮發(fā)分大量流失，月球水就是在這時(shí)全部蒸發(fā)，即月球在巖漿洋階段，基本是不含水的。而在月球火山玻璃、磷灰石以及橄欖石熔體包裹體中探測(cè)到的水，被認(rèn)為是在月球巖漿洋結(jié)晶后，月球發(fā)生部分熔融，由隕石、彗星以及太陽(yáng)風(fēng)注入到月球內(nèi)的。因此，了解月球水的來(lái)源，關(guān)系到人類(lèi)對(duì)于月球成因及其動(dòng)力學(xué)演化的認(rèn)識(shí)。

此外，對(duì)于月球水來(lái)源的不斷探究，使科學(xué)家能夠更加深入地理解太陽(yáng)系中水的演化，以及太陽(yáng)及其磁層活動(dòng)對(duì)于行星—衛(wèi)星系統(tǒng)的影響。太陽(yáng)系中其他行星系統(tǒng)中也可能存在類(lèi)似的物質(zhì)輸運(yùn)“通道”，例如火星大氣逃逸的氧、碳、氮等成分，其中一些就可能會(huì)到達(dá)火衛(wèi)一的表面。那么，火衛(wèi)一上是否也有可能存在水?其他天體系統(tǒng)有沒(méi)有類(lèi)似的機(jī)制?我們是否可以通過(guò)這種機(jī)制尋找宇宙中的水，甚至是地外生命?這些都有待于科學(xué)家進(jìn)一步研究證實(shí)。

(作者系山東大學(xué)空間科學(xué)研究院博士后)

記者：王慧姿