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目前关于月表水的来源,普遍认为有3种可能。第一种是外来说,即由太阳风和陨石带来的,这是因为从遥感数据和月球样品分析数据来看,月壤表层的水(羟基)含量比深层要高;第二种是内生说,即水是月球内部排放出来的,这是固体岩石行星水来源的最通常情况;第三种则认为月球上的水是由彗星类天体从太阳系外缘带来的天然水。

近日,嫦娥五号首次获得月表原位探测数据,科研人员进行数据分析得出,嫦娥五号采样区的水含量在120ppm(百万分之一)以下,而岩石中的水含量约为180ppm。相关研究成果1月8日在线发表于《科学·进展》期刊。

“这相当于1吨月壤中大约含有120克水,1吨岩石中大约含有180克水。”论文第一作者、中国科学院地质与地球物理研究所副研究员林红磊解释道。

“月球存在水的事实,已经被多次‘实锤’了。”嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员、中国地质大学教授肖龙在接受科技日报记者采访时表示。

半个多世纪以来,科学家研究过月壤样品,还采用雷达、中子谱仪、光谱仪等探测设备,从月球轨道进行遥感探测,数次发现月球上“水”的芳踪。唯独没有在“月表原位”(即月球表面)近距离探测水的信号。

此次最新发现不禁令人好奇,月表原位探测到水意味着什么?科学家是如何确定水含量的?月球上的水是否存在利用价值?

用光谱仪在月球表面“找水”

肖龙说,此前科学家曾在100—200千米高度的月球轨道上,探测到了月球存在水或羟基的信号。此外,从以往的月球样品中,也检测到了羟基或水的信号。

“嫦娥五号则是在月表原位靠近采集样品的位置探测到水的。”肖龙指出,这次科学家是从嫦娥五号携带的月球矿物光谱分析仪的光谱谱线信号中,检测到羟基位置有响应,再根据信号特征估算出了可能的羟基或水含量。

肖龙表示,探测月球水含量的最好办法,还是对采样区的样品进行实验室检测。他说:“国内很多单位都申请到了月球样品,估计这一问题很快就会有更为令人信服的答案。”

月球矿物光谱分析仪的观测对象,是采样区2米见方的月壤和一块没有带回来的岩石。

光谱仪靠发现羟基或者水分子的明显吸收特征来探测水。深圳大学教授黄少鹏解释道,光是一种电磁波,科学家可以通过光谱仪,测量月壤或岩石对不同波段电磁波辐射的反射或吸收能力的强弱,再对获得的数据进行处理,确定被测对象的光谱曲线特征,再确定其含水量的多少。

黄少鹏打了个比方,从光谱曲线中检测羟基和水,就如公安干警通过指纹比对确定嫌犯一样。要想知道月球上有没有水,就要看光谱曲线上那些具有特征指示意义的波段是否缺失,光谱曲线中与水对应的波段缺失越严重,说明被测量物体的水含量越多。

“通过分析观测数据中3微米左右的光谱特征,就可以判断月表是否有水,并获得大致的水含量。”嫦娥五号光谱仪设计者、中国科学院上海技术物理研究所研究员何志平说。

“嫦娥五号是目前唯一一个既带回了样品又获取到月表原位光谱数据的探测器。”林红磊表示,其带回的样品能够详细地分析水在月壤颗粒中的分布以及存在形式,并可利用同位素示踪其来源;获得的原位光谱数据则可以与轨道遥感数据结合,研究月表水的全球性分布和时间变化特征。

月球水的三个可能来源

嫦娥五号探测到的水是从哪来的呢?研究人员结合样品分析认为,月壤中的水绝大部分来自太阳风。“太阳风里有很多氢。当太阳风轰击到月面,其中的氢与月壤里的氧结合形成了羟基或者水分子。”论文通讯作者之一、中国科学院地质与地球物理研究所研究员林杨挺说。

肖龙也认为,太阳风是月球水的可能来源之一。他解释道,水的形成需要氢和氧,原始月壤中氢的含量极低,且大量的氧存在于月球矿物中,这不利于直接形成水。但是太阳风中主要是氢,“当这些氢注入月壤中时,就可能与月球矿物中的氧结合形成水或羟基”。

“另外还有一种可能,就是彗星带来了水。”肖龙解释说,彗星中含有大量的水冰,当其撞击月面后,绝大部分水冰都蒸发逃逸了,但还有一部分可能混入月壤中,保存了下来。

“当然也不排除原始月壤中就含有部分的水。”肖龙补充道,前人对阿波罗月球样品进行了大量的研究,在一些矿物中发现了少量的水,它们可能是来自月球内部原始的水,只不过含量极低。

目前关于月表水的来源,普遍认为有3种可能。中国科学院国家天文台研究员平劲松总结,第一种是外来说,即由太阳风和陨石带来的,这是因为从遥感数据和月球样品分析数据来看,月壤表层的水(羟基)含量比深层要高;第二种是内生说,即水是月球内部排放出来的,这是固体岩石行星水来源的最通常情况;第三种则认为月球上的水是由彗星类天体从太阳系外缘带来的天然水。

相比月壤120ppm的水含量,岩石中的水含量为180ppm。那么岩石比月壤多出来的水,又来自哪里?研究人员推测,多出来的水可能是月球内部的水。

黄少鹏也认为,多出来的水可能来自月球内部。这是因为上述文章报告的测量对象,是一块由于陨石撞击挖掘溅射出来的岩石,形成于月球深部,而且这块岩石上有疑似喷气孔,它的含水量比其周边的月壤高,这就为月表水的内生说提供了有力证据。

此项研究成果意义非凡

证实月球上存在水,并估算水的具体含量,对于建设“月球科研站”等至关重要。那么这次发现的水,可以为人类所用吗?

平劲松表示,岩石结晶水、表面水分子或羟基、表面一定深度下的水冰、更深处存在的液体水层、深部岩石缝隙里的液态水等,都可能是月球上水的存在形态。

与普遍意义上的液态水不同,“这次光谱仪探测到的‘水’,指的是矿物里的水分子或者羟基,在一定条件下才能转化为我们熟悉的水。”林红磊解释道。

肖龙解释说,水一般是自由态的,容易被分离和提取出来,稍微加热就可以让水蒸发出来。而羟基的提取难度就大得多了,它们基本存在于矿物内部,与其他原子紧密结合在一起,需要破坏矿物的结构之后,才能被分离出来,实用性自然没办法与水相比。以目前月球光谱遥感数据波段的覆盖范围,还无法区分这两种存在形式。

“而且月球矿物里无论是水分子还是羟基,目前都还没有直接的应用价值。”黄少鹏说,试想把1吨的石头“吃干榨净”,得到的水或羟基也只够装满1个小型白酒瓶(125毫升),而且这项艰巨的任务还得在月球上完成。

但即便如此,黄少鹏也指出“这项成果具有重大科学意义”。他说,水是生命之源,此前科学家都是通过遥感卫星或采回的月球样品探测到水,而这是第一次在月球现场实时“看”到了水;此外,这项研究提供了内生月表水存在的重要证据,从而指明了探测月球水资源的一个重要方向;最后,水在月球、地球以及行星演化中具有重要作用,这项成果对于研究太阳系的起源和演化具有重要的理论意义。

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