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月球上有水嗎(如何在月球表面制造水)

月球上有水嗎 月球上有沒有水?如果有水,又是以什么方式存在的?一直以來,這些問題在學術界爭論不休。 月球存在水冰的設想最早是由美國科學家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他們認為,月球極地一些撞擊坑…

月球上有水嗎
月球上有沒有水?如果有水,又是以什么方式存在的?一直以來,這些問題在學術界爭論不休。
月球存在水冰的設想最早是由美國科學家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他們認為,月球極地一些撞擊坑底部,可能處于太陽照射不到的永久陰影區,表層和次表層的溫度常年維持在零下233攝氏度到零下223攝氏度。原始月球脫氣作用產生的水,以及彗星撞擊月球攜帶至月表的水,在這樣的低溫條件下,很可能會以水冰的形式長期保存下來,逃逸進入太空的可能性很小。他們推測,月球兩極的深坑底部可能存在大量水冰。
在月球水冰設想提出后的30余年間,科學家進行了多方面的探索,直到上世紀90年代,都沒有找到月球有水的確鑿證據。在科學家持續不懈的努力下,過去的20多年來,月球找水獲得了一系列突破性進展。
阿波羅月巖中發現水
雖然前蘇聯科學家早在1978年就在月球24號的樣品中發現存在0.1%的水,但美國人根本不認可這一結果,他們認為所有的阿波羅樣品都不含水,前蘇聯人發現的水是因樣品保存不當導致的,其理由當然是阿波羅登月采集的月球樣品中沒有發現水。
然而,隨著精細分析技術的提高,阿波羅樣品不含水的結論在2008年被推翻了。華盛頓卡內基學院的埃里克·霍利研發了二次離子質譜分析技術,能夠探測樣本中非常微量的元素。美國布朗大學的阿爾貝托·薩爾將該技術應用在了月球樣品研究上,他從阿波羅樣品中挑選了約40顆月球火山玻璃的珍貴樣品進行研究。薩爾的研究小組并沒有直接發現水,而是分析了樣品中氫的含量,分析結果與地球地幔樣品中氫和水的分析結果相似,這說明月球內部可能與地球的地幔一樣存在大量水。
接著,2010年3月,美國衛斯理大學詹姆斯·格林伍德教授在阿波羅月巖中發現了微量水,最高含量可能只有千分之幾。研究人員計算出巖石樣本內氟和氯的含量。根據磷灰石的計算公式,氟和氯的含量表明,要使得磷灰石的晶體結構趨于完整,還需另一種化合物。研究人員得出的結論是,這種化合物可能是氫氧化物——磷灰石和水分解后的產物。他表示這項研究證明月球巖石中的水并不是來自于地球。
近年來,隨著科學儀器的靈敏度和分析精度的顯著提高,科學家們相繼在月球樣品中發現氫或水,而且我們相信今后還將有類似證據表明月球樣品中含有氫或水,但這種氫或水存在于礦物晶格內,含量甚微,也極難提取,難以改變月球絕對干燥的結論。
雷達探測
年,美國發射克萊門汀號月球探測器。該探測器的雷達回波顯示,月球上可能有水。由于克萊門汀號的雷達探測結果受到爭議,印度月船一號探測器上搭載的微型合成孔徑雷達(Mini-SAR),采用了不同的工作方式,從而明確判斷回波異常到底是由水冰-月壤混合物引起的,還是其他因素引起的。
微型雷達在月球北極發現了40多個大小不等(直徑大約1.6?15千米)的撞擊坑具有異常的回波特征。其中,約30個撞擊坑只有坑內出現回波異常,坑環和外圍都沒有出現回波異常,推測是由于坑內含有水冰引起的;另有11個撞擊坑的坑內和外圍都出現回波異常,推測是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南極也發現了類似的現象。這說明,月球極區的這些撞擊坑內很可能存在水冰。
根據雷達探測的原理,這些撞擊坑內的水冰很可能是以大冰塊或冰層的形式存在,分布在10米厚的月壤層內。
光譜探測
年10月,美國布朗大學卡爾·皮埃特斯等通過對月球礦物制圖儀獲得的近紅外光譜進行仔細研究,他們發現幾乎在月球所有緯度上都存在羥基(由1個氫原子和1個氧原子組成),或可能是水的光譜信號。
由于光譜探測只能感應表面幾毫米的深度,因此,月球礦物制圖儀發現的水應該存在于月表數毫米厚的月塵內,含量甚微,與月球礦物以結晶水形式存在。按照地質學的經驗,結晶水與礦物之間的結合非常牢固,常常需要加熱到200攝氏度甚至更高的溫度才能釋放出來,這就解釋了為什么在白天溫度可以達到130攝氏度左右的月球中低緯度地區也檢測到了羥基信號。
中子探測
年,美國發射的月球勘探者號探測器的中子探測結果顯示,在月球兩極地區存在豐富的氫,據此推測,月球極區可能含有豐富的水冰。
與前面提到的月球勘探者號的中子探測原理相似,月球勘測軌道器上也搭載了一臺低能中子探測儀,通過記錄中子計數探測氫的含量,并進而證明水的存在。中子探測儀在月球撞擊坑內的永久陰影區發現了豐富的氫(氫很有可能以水的形式存在)。
由于中子探測儀的探測深度為月球表層數米厚的月壤,因此這些“水”可能是以冰粒形式與月壤混合,即“臟冰”。但令人費解的是,在溫度較高、日照強烈的3個撞擊坑外圍地區,也發現了豐富的氫。
撞月探測
月球勘測軌道器的子衛星——月球坑觀測和傳感衛星(LCROSS),由牧羊航天器和半人馬座火箭2部分組成。2009年10月9日,約2.2噸重的半人馬座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞擊月球南極的凱布斯坑(Cabeus),牧羊航天器上的科學儀器有4分鐘時間探測撞擊濺射物,并把探測數據傳回地面控制中心。
在這次撞擊后,科學家團隊頂著壓力,幾乎夜以繼日地分析牧羊航天器傳回的大量數據。研究重點集中在光譜儀的探測數據,這是月球上存在水的重要證據。
有多重證據表明,水存在于撞擊產生的濺射物中。雖然水的濃度和分布還需進一步分析,但可以確定的是,凱布斯坑中有水。
結論
最后,讓我們回到最初的問題,月球上找到水了嗎?迄今,人類已在多次任務中以不同的探測方式獲得了極區永久陰影區中存在水冰的證據。部分專家認為,目前基本上可以證實月球上確實有水。但是,最終的結論還需要通過派遣機器人或航天員,進行實地鉆探取樣以證實水冰的存在和含量。
科學家沒有停止努力。極區將成為未來月球探測的重點區域,通過在月球上找水,將為建設月球基地提供潛在的水資源。
鄭永春
博士,中國科學院國家天文臺研究員,中國科普作家協會副理事長,青年科學家社會責任聯盟理事長,“科普中國”形象大使。

 

如何在月球表面制造水
第11天的盈凸月(Waxing gibbous,即我們看到的月亮一半以上是明亮的且明亮的面積還在增加的狀態)。
的科學家們發現,當被稱為太陽風的帶電粒子流以每秒450公里(或接近每小時160萬公里)的速度照射到月球時,它們會使月球表面富含可以制造水的成分。
科學家用計算機程序模擬了太陽風急降月球表面時的化學反應。他們發現,當太陽將質子流向月球時,這些粒子與月球表面的電子相互作用,形成氫(H)原子。然后這些原子在表面遷移并鎖定二氧化硅(SiO2)中大量的氧(O)原子和構成月球土壤或風化層的其他含氧分子。氫和氧一起構成羥基(OH),即水(H2O)的成分。
“我們認為水是種特殊又神奇的化合物,”NASA戈達德太空飛行中心(位于馬里蘭州格林貝爾特)的等離子體物理學家William M. Farrell(他幫助開發了計算機模擬)說,“但令人驚奇的是:每塊巖石都有可能制造水,特別是在被太陽風輻射后。”
模擬研究的帶頭人、戈達德的物理學家Orenthal James Tucker表示,了解月球上有多少水(或其化學成分)對于NASA派遣人類登月并建立長期存在的目標至關重要。
“我們正試圖了解有價值資源的運輸動態,比如月球表面和散逸層(或非常稀薄的大氣)的氫,這樣我們就可以知道去哪里得到這些資源,”Tucker說道,他最近在JGR(地球物理研究期刊,Journal of Geophysical Research)行星期刊中講述了模擬結果。
下載月球上太陽風繪圖的PDF(8.68 MB)
一些航天器使用紅外儀器測量月球發出的光以識別其表面的化學成分。其中包括NASA的深度撞擊號(Deep Impact),它在前往哈特雷2號彗星(103P/Hartley 2)的途中與地月系統有多次近距離接觸;NASA的卡西尼號(Cassini)在飛往土星的途中經過了月球;印度的月船1號(Chandrayaan-1)十年前繞月球飛行。 這些航天器都發現了的水或其成分(氫或羥基)的證據。
但這些原子和化合物是如何在月球上形成的仍然是個未解決的問題。流星撞擊可能會引發必要的化學反應,但許多科學家認為太陽風是主要驅動因素。
太陽釋放出恒定的粒子和磁場稱為太陽風(solar wind)。太陽風在太陽系中以粒子和輻射肆虐其他天體,除非受到大氣或/和磁場的阻礙,否則它們可以一直流向行星表面。以上是這些太陽粒子與一些行星和其他天體的相互作用。
下載太陽風信息圖的PDF(3.92 MB)

的模擬跟蹤了月球上氫原子的生命周期,支持太陽風理論。
“從以前的研究中,我們知道太陽風中有多少氫,我們也知道在月球非常薄的大氣中有多少氫,我們測量了表面的羥基含量,”Tucker說,“我們現在所做的就是弄清楚這三種氫的庫存是如何交織在一起的。”
發現氫原子在月球上的活動有助于解決為什么航天器發現月球不同區域的氫含量存在波動。研究小組得出結論,較溫暖的地區積聚較少的氫,比如月球的赤道,因為沉積在那里的氫會被太陽激發,然后迅速從地表跑到散逸層。相反,更多的氫積聚在極點附近較冷的表面,因為那里太陽輻射較少。
總的來說,Tucker的模擬顯示,隨著太陽風不斷地轟擊月球的表面,它打破了硅、鐵、氧原子(構成月球土壤的主要成分)之間的化學鍵。這使得氧原子有空缺,當氫原子流過月球的表面時,它們會暫時被困在一起(在寒冷的地區比在溫暖的地方更長)。它們漂浮一段時間之后會擴散到月球的大氣中,并最終進入太空。 “整個過程就像一家化工廠,”Farrell說道。
表示,關鍵結果是,每個暴露在外的二氧化硅體,從月亮到塵埃顆粒,都有可能產生羥基,從而成為水的化工廠。
戈達德物理學家Rosemary Margaret Killen和(位于馬里蘭州巴爾的摩市)約翰霍普金斯大學的行星科學家Dana M. Hurley為模擬研究做出了貢獻,該研究由NASA太陽系探索研究虛擬研究所(Solar System Exploration Research Virtual Institute)資助。
參考:

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