月球之水

月球之水

2015-02-11

按：一直以来，月球上有没有水及其赋存方式等问题在学术界争论不休，最近的一些探测与研究结果明显支持了月球上存在水的观点：2008年，科学家在阿波罗宇航员登月采集的月球火山玻璃中检测到水。2009年11月，美国宇航局（NASA）宣布，与月球勘测轨道器（LRO）一同发射的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，月球上存在水。2010年3月，科学家在含有磷灰石的月球岩石中检测到水。2010年3月1日，NASA宣布，由其负责研制、搭载在印度月船一号探测器上的一台微型雷达探测取得重要进展，获得了月球存在水冰的证据。

一、月球上没有任何形式的水？

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（图1-3），表层和次表层温度常年维持在40K左右（-223℃～-233℃）。原始月球脱气作用产生的水以及彗星撞击月球携带至月表的水等来源的水，在这样的低温条件下逃逸进入太空的概率很小，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底部可能存在大量水冰。

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研究，都没有找到月球有水的确凿证据。因此大多数科学家认为，月球表面不存在任何形式的水，并提出四个方面的证据来支持他们的观点：

∙证据一，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）；

∙证据二，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，没有发现任何原生或次生的含水矿物，如粘土、云母、石膏等；

∙证据三，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；

∙证据四，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。

图1：月球北极地区一年中的光照时间占全年的百分比

右图为月球上北纬86～90度北极地区的地形和光照情况。左图为右图的局部放大（比例尺为15 km），中间的色标表示一年中的光照时间占全年的百分比，左图中光照度为0%的黑色斑块表示撞击坑底部太阳光照射不到的永久阴影区，少数光照度100%的白色区域为永久光照区，一般位于山顶。

图2：月球南极高程图

月球南极地区海拔高程的假彩色图像，红色表示海拔高的地区，蓝色表示海拔低的地区。黑

圈内为太阳系中最大最深的盆地——爱特肯盆地，其中有大面积的永久阴影区。

图3：月球南极地区一年中的光照时间占全年的百分比

A箭头所指为美国未来月球基地的选址区之一，位于沙克尔顿环形山（圆心右侧环形撞击坑）的山顶，为永久光照区（可以为月球基地提供永久的能源供应），而环形山底部为-233 ℃（可以为月球基地的一些科学实验提供极端实验环境）。

二、九十年代两次找水

（一）美国克莱门汀号的雷达探测

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（图4）是从绕月卫星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，根据回波信号可以推断月球表面物质的相关信息。

图4：克莱门汀号的双基地雷达探测原理

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干燥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（图5），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，即雷达回波不呈现干燥月壤所应具有的特征，而呈现出挥发性冰的特征（可能混杂有土壤和沙砾）。由此看来，月球两极水的存在似乎第一次有了直接证据。

图5：克莱门汀号的雷达探测结果

上图为克莱门汀号两轨雷达探测的足迹，其中第234轨直接飞越南极永久阴影区上空，第235轨飞越的南极地形与234轨相似，但飞越的是光照区。下图显示234轨的探测数据出现雷达回波异常，但235轨没有发现回波异常。

根据斯图尔特·诺泽特等1996年发表在《科学（Sciences）》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，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12千米的爱特肯盆地，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。

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。

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。

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。

（二）美国月球勘探者号的中子探测

1998年1月7日美国发射了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。由于氢有可能是以水分子形式存在，所以氢信号的强弱可以间接反映水含量的多少。探测结果（图6）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%，可能是以冰粒和月壤混合物（俗称脏冰）的形式存在，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。有专家估算，月球极区水冰的总储量约66亿吨。

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强有力的证据。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。