月球，這顆離我們最近的天體，千百年來一直以來都吸引著人類的目光。而水是生命之源，關(guān)于月球上是否存在水，這個(gè)問題困擾了科學(xué)家們幾十年。最近，在我國嫦娥五號(hào)任務(wù)帶回的月壤樣品中，中國科學(xué)院物理研究所的陳小龍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種富含水分子和銨的礦物晶體 ——ULM-1[1]，這一發(fā)現(xiàn)為月球上存在水提供了新的“實(shí)錘”證據(jù)，預(yù)示著未來深空探索的無限可能，也給我們帶來了無限的遐想……
01、嫦娥五號(hào)的重大發(fā)現(xiàn)
月球上到底有沒有水？這個(gè)問題已經(jīng)困擾了科學(xué)家們幾十年了。對(duì) 1969 年至 1972 年采集的阿波羅樣品的研究表明，月壤中未發(fā)現(xiàn)任何含水礦物。此后，“月球是干的”一度成為月球科學(xué)的基本共識(shí) [2]。
然而，近年來的遙感和直接撞擊任務(wù)表明，月球上可能有水存在。首先是在月球兩極附近的永久陰影隕石坑中，檢測到的大量水分子 [3]。這些水分子通常被認(rèn)為是以水冰的形式存在。
(左) 月球南北極區(qū)含有水冰的位置 (天藍(lán)色點(diǎn))，底圖的灰度代表表面溫度，顏色越深就越冷；(右) 三處含有水冰區(qū)域的反射光譜示例
另外，在高緯度光照區(qū)也發(fā)現(xiàn)了水分子存在的跡象，這說明月球上的水能以水冰以外的形式存在 [4]。不過，由于缺乏來自月球上高緯度和極地地區(qū)的樣本，我們還未獲得水分子存在的確鑿證據(jù)。
2020 年 12 月 17 日，嫦娥五號(hào)樣品艙成功著陸內(nèi)蒙古四子王旗，帶回了 1731 克月球樣品。這是我國首次完成地外天體樣品采集，也是人類 44 年來再次取回新的月球樣品。嫦娥五號(hào)任務(wù)成功從月球上北緯 43.058° 的區(qū)域取回了月壤樣品，這個(gè)著陸點(diǎn)的緯度比阿波羅和月球任務(wù)高得多，是迄今為止緯度最高的月球樣品。嫦娥五號(hào)取得的月壤樣品為月球水的研究提供了新的機(jī)遇。
02、這次發(fā)現(xiàn)的“水”到底是什么？
由于月球幾乎沒有大氣層對(duì)太陽輻射的屏蔽作用，當(dāng)太陽照射到月球表面時(shí)，溫度可以升高至 120 攝氏度。在這樣的高溫環(huán)境下，任何液態(tài)水都會(huì)蒸發(fā)殆盡，所以人們認(rèn)為月球上是不可能存在液態(tài)水的。那么這次發(fā)現(xiàn)的水是什么呢？
需要知道的是科學(xué)家研究的“水”并不是人們喝的“水”。這里光譜儀所探測到的“水”，指的是礦物里的水分子或者羥基，在一定條件下才能轉(zhuǎn)化為我們喝的水。
這個(gè)礦物水是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？原來，在嫦娥五號(hào)帶回的月壤中，我國的科研團(tuán)隊(duì)從樣品月壤 CE5C0400 中挑選出 1,000 多個(gè)礦物碎屑。在這些碎屑中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種棱柱形板狀透明晶體，這種未知的月球礦物被命名為 ULM-1（unknown lunar mineral-1）。
科學(xué)家們運(yùn)用多種儀器手段分析了 ULM-1 的化學(xué)成分。結(jié)果表明，在這種礦物中，水和銨以一種成分為 (NH4,K,Cs,Rb)MgCl3·6H2O 的水合物形式出現(xiàn)。這種水合物分子式中含有多達(dá) 6 個(gè)結(jié)晶水，水分子在樣品中的質(zhì)量比高達(dá) 41%。
為了確保這一發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，科學(xué)家們還進(jìn)行了嚴(yán)格的化學(xué)和氯同位素分析。納米二次離子質(zhì)譜數(shù)據(jù)表明，該礦物的氯同位素組成和地球礦物顯著不同，與月球上的礦物相符。研究人員還對(duì)該礦物化學(xué)成分和形成條件進(jìn)行分析，進(jìn)一步排除了地球污染或火箭尾氣作為這種水合物的來源。因此，這種礦物就是貨真價(jià)實(shí)的“月球水”。
這種水合礦物的發(fā)現(xiàn)揭示了月球上水分子可能存在的一種形式 —— 水合鹽。與易揮發(fā)的水冰不同，這種水合物在月球高緯度地區(qū)（嫦娥五號(hào)采樣點(diǎn)）非常穩(wěn)定。這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區(qū)，也可能存在這種穩(wěn)定的水合鹽。
03、月球上的水從何而來？
盡管現(xiàn)在有很多科學(xué)家進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)室研究和遙感探索，月球水的起源和化學(xué)形式仍然難以捉摸?？茖W(xué)家提出，月球上的水主要有三個(gè)來源：
太陽風(fēng)
太陽風(fēng)是由太陽上的等離子體和高能粒子組成的帶電粒子流，它不斷從太陽表面噴出并向外傳播。太陽風(fēng)中的氫離子與月球表面的氧結(jié)合，形成了水分子或羥基。這些氫離子是高能帶電粒子，它們也可以穿透月球表面并進(jìn)入月球內(nèi)部，與月球內(nèi)部物質(zhì)中的氧結(jié)合，形成水分子。這種方法同樣可以用于人工在月球上“制造”水。
隕石撞擊
許多小行星和彗星經(jīng)過月球，它們的撞擊可能會(huì)帶來水和其它揮發(fā)性物質(zhì)。另外，隕石撞擊月球表面時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)熔化月壤，在此類自然活動(dòng)中，往往會(huì)產(chǎn)生上千度的高溫，這足以熔化周圍的土壤，最終形成玻璃狀物質(zhì)。同樣來自嫦娥五號(hào)的另一項(xiàng)研究表明 [6]，月球上存在著這種封存著水的玻璃珠，就是源于小天體以及微隕石的撞擊，撞擊中產(chǎn)生的高溫熔化了月壤，并在逐漸冷卻后，形成含有水的玻璃珠。這些玻璃珠被稱為“撞擊玻璃珠”，它們可能是月球的“迷你水庫”。
月球“本地水”
也有科學(xué)家認(rèn)為，月球形成時(shí)就有水。月球形成于 45 億年前，當(dāng)時(shí)月球上可能就已經(jīng)存在水了。例如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球的火山口湖結(jié)構(gòu)上存在水的痕跡，而月球的火山口湖結(jié)構(gòu)可能源自于形成時(shí)的火山活動(dòng)。現(xiàn)在月球內(nèi)部可能也含有水，這些水通過火山活動(dòng)等方式釋放到月球表面。
以上三個(gè)來源可能都會(huì)導(dǎo)致月球上有水。雖然先前發(fā)現(xiàn)的月球水通常歸因于太陽風(fēng)、彗星和隕石等外來的來源，但是這項(xiàng)研究表明，這次發(fā)現(xiàn)的 ULM-1 中含的水更有可能是月球的“本地水”。與水冰相比，這種六水合物的熱穩(wěn)定性更強(qiáng)，再加上其高緯度位置，可能有助于在陽光照射的月球上很長時(shí)間地保存分子水。
另外值得一提的是，這次發(fā)現(xiàn)的 ULM-1 的晶體結(jié)構(gòu)和組成與地球上近年來發(fā)現(xiàn)的一種稀有火山口礦物相似。在地球上，該礦物是由熱玄武巖與富含水和氨的火山氣體相互作用形成。
04、月球上的水有什么用？
在月球上找到能穩(wěn)定存在的水，為未來月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。
首先，水是生命之源，宇航員在月球上進(jìn)行長期探測任務(wù)時(shí)，需要大量的飲用水。如果能夠在月球上找到水源，將大大減少從地球運(yùn)送水的成本。再就是利用這些水可以進(jìn)行植物栽培和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在月球基地內(nèi)種植一些蔬菜、糧食作物等，有助于實(shí)現(xiàn)部分食物的自給自足，減少從地球運(yùn)輸食物的成本和風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于這次的發(fā)現(xiàn)，研究人員陳小龍表示，“這類水合礦物中富含銨，銨是一種氮肥，我們地球上用的是碳酸氫銨。除此之外還有少量的鉀，鉀屬于鉀肥，這個(gè)發(fā)現(xiàn)為今后人類在月球上種植作物提供很大的可能性”。
另外，通過電解水，可以產(chǎn)生氧氣和氫氣。氧氣可以供宇航員呼吸，而氫氣可以作為燃料，支持月球車和其他設(shè)備的運(yùn)行。
總之，水在未來的月球基地建設(shè)中具有多方面的重要應(yīng)用。如果人類要在月球上建立基地并長期停留，就需要將月球上的水資源最大化地利用起來。當(dāng)然，月球上的水并不那么容易被開發(fā)，因?yàn)樵虑蛏系乃蠖啻嬖谟跇O端環(huán)境下，提取和加工這些水資源將是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
05、結(jié)語
月球水的研究遠(yuǎn)未結(jié)束。在科研人員看來，證實(shí)月球上存在水并估算水量，對(duì)”月球科研站”、“月球村”的規(guī)劃和建設(shè)至關(guān)重要。這種新發(fā)現(xiàn)的水分子的存在形式也為月球資源的開發(fā)和利用提供了新思路，可能改變未來月球資源的開發(fā)模式。按照計(jì)劃，我國之后發(fā)射的嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)也將在原位和軌道尺度繼續(xù)探測月表水的含量、分布，這項(xiàng)研究成果也將為嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)的科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支撐。
這次從嫦娥五號(hào)的月壤樣本中發(fā)現(xiàn)分子水，無疑是一個(gè)重要且令人興奮的發(fā)現(xiàn)。盡管對(duì)月球水資源的開發(fā)困難重重，但是相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們對(duì)月球上的水資源也將有更多的了解，為我們未來在月球上的長期駐留和資源利用提供重要支持。或許有朝一日，我們真的能在月球上生活、種菜，能看到一個(gè)綠色的月亮。
文章封面圖由 AI 生成，并非真實(shí)存在。
參考文獻(xiàn)
[1]Jin, S., Hao, M., Guo, Z. et al. Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang’e-5 lunar sample. Nat Astron(2024).
[2]Team L S P E. Preliminary examination of lunar samples from Apollo 12[J]. Science, (1970）, 167(3923): 1325-1339.
[3]Li, S., Lucey, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., ... & Elphic, R. C.. Direct Detections of Surface Exposed Water Ice in the Lunar Polar Regions. LPI Contributions, 2018), 2087.
[4]Honniball, C. I. et al. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. Nat. Astron. 5, 121–127 (2021).
[5]Jia-Long Hao,Li,et al. NanoSIMS sulfur isotopic analysis at 100 nm scale by imaging technique, Frontiers in Chemistry, 11, (2023).
[6]Honglei Lin et al.,In situ detection of water on the Moon by the Chang’E-5 lander.Sci. Adv.8,eabl9174(2022).
科學(xué)家首次在返回月壤中發(fā)現(xiàn)分子水，科學(xué)網(wǎng)
我國科學(xué)家在月壤中發(fā)現(xiàn)富含水分子的礦物，中科院之聲
月壤中發(fā)現(xiàn)富含水分子的礦物，中國科學(xué)院物理研究所 A02 組
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