鄭永春，博士，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員，中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)，青年科學(xué)家社會(huì)責(zé)任聯(lián)盟理事長(zhǎng)，“科普中國(guó)”形象大使。

月球上有沒(méi)有水？如果有水，又是以什么方式存在的？一直以來(lái)，這些問(wèn)題在學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論不休。

月球存在水冰的設(shè)想最早是由美國(guó)科學(xué)家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他們認(rèn)為，月球極地一些撞擊坑底部，可能處于太陽(yáng)照射不到的永久陰影區(qū)，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(chǎn)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(huì)以水冰的形式長(zhǎng)期保存下來(lái)，逃逸進(jìn)入太空的可能性很小。他們推測(cè)，月球兩極的深坑底部可能存在大量水冰。

在月球水冰設(shè)想提出后的30余年間，科學(xué)家進(jìn)行了多方面的探索，直到上世紀(jì)90年代，都沒(méi)有找到月球有水的確鑿證據(jù)。在科學(xué)家持續(xù)不懈的努力下，過(guò)去的20多年來(lái)，月球找水獲得了一系列突破性進(jìn)展。

阿波羅月巖中發(fā)現(xiàn)水

雖然前蘇聯(lián)科學(xué)家早在1978年就在月球24號(hào)的樣品中發(fā)現(xiàn)存在0.1%的水，但美國(guó)人根本不認(rèn)可這一結(jié)果，他們認(rèn)為所有的阿波羅樣品都不含水，前蘇聯(lián)人發(fā)現(xiàn)的水是因樣品保存不當(dāng)導(dǎo)致的，其理由當(dāng)然是阿波羅登月采集的月球樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水。

然而，隨著精細(xì)分析技術(shù)的提高，阿波羅樣品不含水的結(jié)論在2008年被推翻了。華盛頓卡內(nèi)基學(xué)院的埃里克·霍利研發(fā)了二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)，能夠探測(cè)樣本中非常微量的元素，他們利用該技術(shù)成功發(fā)現(xiàn)地球熔融地幔中含有水。美國(guó)布朗大學(xué)的阿爾貝托·薩爾曾參與該研究，希望將該技術(shù)應(yīng)用在月球樣品研究上，他用3年時(shí)間才說(shuō)服NASA提供研究經(jīng)費(fèi)，并從阿波羅樣品中挑選了約40顆月球火山玻璃的珍貴樣品。薩爾的研究小組并沒(méi)有直接發(fā)現(xiàn)水，而是分析氫的含量，分析結(jié)果與地球地幔樣品中氫和水的分析結(jié)果相似，這說(shuō)明月球內(nèi)部可能與地球的地幔一樣存在大量水。

接著，2010年3月，美國(guó)衛(wèi)斯理大學(xué)詹姆斯·格林伍德教授在阿波羅月巖中發(fā)現(xiàn)了微量水，最高含量可能只有千分之幾。研究人員利用電子微探針的粒子束轟擊磷灰石，可以計(jì)算出巖石樣本內(nèi)氟和氯的含量。根據(jù)磷灰石的計(jì)算公式，氟和氯的含量表明，要使得磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)趨于完整，還需另一種化合物。研究人員得出的結(jié)論是，這種化合物可能是氫氧化物——磷灰石和水分解后的產(chǎn)物。他表示這項(xiàng)研究證明月球巖石中的水并不是來(lái)自于地球。

近年來(lái)，隨著科學(xué)儀器的靈敏度和分析精度的顯著提高，科學(xué)家們相繼在月球樣品中發(fā)現(xiàn)氫或水，而且我們相信今后還將有類(lèi)似證據(jù)表明月球樣品中含有氫或水，但這種氫或水存在于礦物品格內(nèi)，含量甚微，也極難提取，難以改變?cè)虑蚪^對(duì)干燥的結(jié)論。

雷達(dá)探測(cè)

由于目前發(fā)現(xiàn)月球上存在水的地區(qū)基本上都位于南北極的永久陰影區(qū)內(nèi)，這些地區(qū)由于地處高緯度，太陽(yáng)每次基本上在地平線(xiàn)上劃過(guò)，光線(xiàn)不能照射到撞擊坑的底部，因此，可見(jiàn)光相機(jī)和其他需要依賴(lài)太陽(yáng)光反射或激發(fā)的儀器都不能看到這些撞擊坑底部的景象。而雷達(dá)探測(cè)不依賴(lài)光照，可以對(duì)月球兩極永久陰影區(qū)進(jìn)行成像，可望獲得撞擊坑底部的地形和水冰是否存在的確鑿證據(jù)。

1994年，美國(guó)發(fā)射克萊門(mén)汀號(hào)月球探測(cè)器。該探測(cè)器的雷達(dá)回波顯示，月球上可能有水。由于克萊門(mén)汀號(hào)的雷達(dá)探測(cè)結(jié)果受到爭(zhēng)議，印度月船一號(hào)探測(cè)器上搭載的微型合成孔徑雷達(dá)（Mini-SAR），采用了不同的工作方式，即發(fā)射左旋極化信號(hào)，接收水平極化和垂直極化的反射信號(hào)，這種工作方式可以保留反射信號(hào)的全部信息，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(dá)在月球北極發(fā)現(xiàn)了40多個(gè)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(gè)撞擊坑只有坑內(nèi)出現(xiàn)回波異常，坑環(huán)和外圍都沒(méi)有出現(xiàn)回波異常，推測(cè)是由于坑內(nèi)含有水冰引起的；另有11個(gè)撞擊坑的坑內(nèi)和外圍都出現(xiàn)回波異常，推測(cè)是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南極也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象。這說(shuō)明，月球極區(qū)的這些撞擊坑內(nèi)很可能存在水冰。據(jù)初步估算，月球北極的30余個(gè)撞擊坑內(nèi)大約有6億噸水冰。而且，未來(lái)可能選址作為月球基地的南極休梅克撞擊坑內(nèi)，也發(fā)現(xiàn)了水冰。

根據(jù)雷達(dá)探測(cè)的原理，這些撞擊坑內(nèi)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(nèi)。

光譜探測(cè)

2009年10月，美國(guó)布朗大學(xué)卡爾·皮埃特斯等通過(guò)對(duì)月球礦物制圖儀獲得的近紅外光譜進(jìn)行仔細(xì)研究，他們發(fā)現(xiàn)幾乎在月球所有緯度上都存在羥基（由1個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子組成），或可能是水的光譜信號(hào)。

由于光譜探測(cè)只能感應(yīng)表面幾毫米的深度，因此，月球礦物制圖儀發(fā)現(xiàn)的水應(yīng)該存在于月表數(shù)毫米厚的月塵內(nèi)，含量甚微，與月球礦物以結(jié)晶水形式存在。按照地質(zhì)學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)晶水與礦物之間的結(jié)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(lái)，這就解釋了為什么在白天溫度可以達(dá)到130攝氏度左右的月球中低緯度地區(qū)也檢測(cè)到了羥基信號(hào)。

中子探測(cè)

1998年，美國(guó)發(fā)射的月球勘探者號(hào)探測(cè)器的中子探測(cè)結(jié)果顯示，在月球兩極地區(qū)存在豐富的氫，據(jù)此推測(cè)，月球極區(qū)可能含有豐富的水冰。

與前面提到的月球勘探者號(hào)的中子探測(cè)原理相似，月球勘測(cè)軌道器上也搭載了一臺(tái)低能中子探測(cè)儀，通過(guò)記錄中子計(jì)數(shù)探測(cè)氫的含量，并進(jìn)而證明水的存在。中子探測(cè)儀在月球撞擊坑內(nèi)的永久陰影區(qū)發(fā)現(xiàn)了豐富的氫（氫很有可能以水的形式存在）。

由于中子探測(cè)儀的探測(cè)深度為月球表層數(shù)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(fèi)解的是，在溫度較高、日照強(qiáng)烈的3個(gè)撞擊坑外圍地區(qū)，也發(fā)現(xiàn)了豐富的氫。

撞月探測(cè)

月球勘測(cè)軌道器的子衛(wèi)星——月球坑觀測(cè)和傳感衛(wèi)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(xué)儀器有4分鐘時(shí)間探測(cè)撞擊濺射物，并把探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面控制中心。遺憾的是，LCROSS的撞擊規(guī)模和亮度都遠(yuǎn)低于預(yù)計(jì)，地面和其他空間探測(cè)器上的觀測(cè)設(shè)備甚至沒(méi)能觀測(cè)到明顯的撞擊效果，與撞擊前的高調(diào)宣傳形成很大的反差。

而后，美國(guó)宇航局專(zhuān)門(mén)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布LCROSS的撞擊成功地證實(shí)月球上確實(shí)有水。據(jù)報(bào)道，半人馬座火箭撞擊產(chǎn)生的濺射物包括兩部分，一部分由密度較小的蒸汽和粉塵組成，在撞擊后騰空而起；另一部分由密度較大的巖石塊和顆粒組成，撞擊后向四周拋射。在這次不甚成功的撞擊后，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)頂著壓力，幾乎夜以繼日地分析牧羊航天器傳回的大量數(shù)據(jù)。研究重點(diǎn)集中在光譜儀的探測(cè)數(shù)據(jù)，這是月球上存在水的重要證據(jù)。

科學(xué)家們首先排除了半人馬座火箭污染月表的可能性，接著他們用水和其他物質(zhì)已知的近紅外光譜信號(hào)，同LCROSS近紅外光譜儀在撞擊中獲得的光譜信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只有月壤與水的混合光譜，才與LCROSS獲得的光譜相似。而月壤與任何其他含羥基化合物的混合光譜，都無(wú)法與LCROSS的觀測(cè)結(jié)果相匹配。有多重證據(jù)表明，水同時(shí)存在于上述兩部分濺射物中。雖然水的濃度和分布還需進(jìn)一步分析，但可以確定的是，凱布斯坑中有水。

結(jié)論

最后，讓我們回到最初的問(wèn)題，月球上找到水了嗎？迄今，人類(lèi)已在多次任務(wù)中以不同的探測(cè)方式獲得了極區(qū)永久陰影區(qū)中存在水冰的證據(jù)。部分專(zhuān)家認(rèn)為，目前基本上可以證實(shí)月球上確實(shí)有水。但是，最終的結(jié)論還需要通過(guò)派遣機(jī)器人或航天員，進(jìn)行實(shí)地鉆探取樣以證實(shí)水冰的存在和含量。

科學(xué)家沒(méi)有停止努力。極區(qū)將成為未來(lái)月球探測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)在月球上找水，將為建設(shè)月球基地提供潛在的水資源。