,,

嫦娥五號首次獲得月表原位探測數據采樣區水含量在120ppm以下

2022-01-21 14:23:39 來源：科技日報

目前關于月表水的來源，普遍認為有3種可能。第一種是外來說，即由太陽風和隕石帶來的，這是因為從遙感數據和月球樣品分析數據來看，月壤表層的水(羥基)含量比深層要高;第二種是內生說，即水是月球內部排放出來的，這是固體巖石行星水來源的最通常情況;第三種則認為月球上的水是由彗星類天體從太陽系外緣帶來的天然水。

近日，嫦娥五號首次獲得月表原位探測數據，科研人員進行數據分析得出，嫦娥五號采樣區的水含量在120ppm(百萬分之一)以下，而巖石中的水含量約為180ppm。相關研究成果1月8日在線發表于《科學·進展》期刊。

“這相當于1噸月壤中大約含有120克水，1噸巖石中大約含有180克水。”論文第一作者、中國科學院地質與地球物理研究所副研究員林紅磊解釋道。

“月球存在水的事實，已經被多次‘實錘’了。”嫦娥五號鉆取子系統飛控專家組成員、中國地質大學教授肖龍在接受科技日報記者采訪時表示。

半個多世紀以來，科學家研究過月壤樣品，還采用雷達、中子譜儀、光譜儀等探測設備，從月球軌道進行遙感探測，數次發現月球上“水”的芳蹤。唯獨沒有在“月表原位”(即月球表面)近距離探測水的信號。

此次最新發現不禁令人好奇，月表原位探測到水意味著什么?科學家是如何確定水含量的?月球上的水是否存在利用價值?

用光譜儀在月球表面“找水”

肖龍說，此前科學家曾在100—200千米高度的月球軌道上，探測到了月球存在水或羥基的信號。此外，從以往的月球樣品中，也檢測到了羥基或水的信號。

“嫦娥五號則是在月表原位靠近采集樣品的位置探測到水的。”肖龍指出，這次科學家是從嫦娥五號攜帶的月球礦物光譜分析儀的光譜譜線信號中，檢測到羥基位置有響應，再根據信號特征估算出了可能的羥基或水含量。

肖龍表示，探測月球水含量的最好辦法，還是對采樣區的樣品進行實驗室檢測。他說：“國內很多單位都申請到了月球樣品，估計這一問題很快就會有更為令人信服的答案。”

月球礦物光譜分析儀的觀測對象，是采樣區2米見方的月壤和一塊沒有帶回來的巖石。

光譜儀靠發現羥基或者水分子的明顯吸收特征來探測水。深圳大學教授黃少鵬解釋道，光是一種電磁波，科學家可以通過光譜儀，測量月壤或巖石對不同波段電磁波輻射的反射或吸收能力的強弱，再對獲得的數據進行處理，確定被測對象的光譜曲線特征，再確定其含水量的多少。

黃少鵬打了個比方，從光譜曲線中檢測羥基和水，就如公安干警通過指紋比對確定嫌犯一樣。要想知道月球上有沒有水，就要看光譜曲線上那些具有特征指示意義的波段是否缺失，光譜曲線中與水對應的波段缺失越嚴重，說明被測量物體的水含量越多。

“通過分析觀測數據中3微米左右的光譜特征，就可以判斷月表是否有水，并獲得大致的水含量。”嫦娥五號光譜儀設計者、中國科學院上海技術物理研究所研究員何志平說。

“嫦娥五號是目前唯一一個既帶回了樣品又獲取到月表原位光譜數據的探測器。”林紅磊表示，其帶回的樣品能夠詳細地分析水在月壤顆粒中的分布以及存在形式，并可利用同位素示蹤其來源;獲得的原位光譜數據則可以與軌道遙感數據結合，研究月表水的全球性分布和時間變化特征。

月球水的三個可能來源

嫦娥五號探測到的水是從哪來的呢?研究人員結合樣品分析認為，月壤中的水絕大部分來自太陽風。“太陽風里有很多氫。當太陽風轟擊到月面，其中的氫與月壤里的氧結合形成了羥基或者水分子。”論文通訊作者之一、中國科學院地質與地球物理研究所研究員林楊挺說。

肖龍也認為，太陽風是月球水的可能來源之一。他解釋道，水的形成需要氫和氧，原始月壤中氫的含量極低，且大量的氧存在于月球礦物中，這不利于直接形成水。但是太陽風中主要是氫，“當這些氫注入月壤中時，就可能與月球礦物中的氧結合形成水或羥基”。

“另外還有一種可能，就是彗星帶來了水。”肖龍解釋說，彗星中含有大量的水冰，當其撞擊月面后，絕大部分水冰都蒸發逃逸了，但還有一部分可能混入月壤中，保存了下來。

“當然也不排除原始月壤中就含有部分的水。”肖龍補充道，前人對阿波羅月球樣品進行了大量的研究，在一些礦物中發現了少量的水，它們可能是來自月球內部原始的水，只不過含量極低。

目前關于月表水的來源，普遍認為有3種可能。中國科學院國家天文臺研究員平勁松總結，第一種是外來說，即由太陽風和隕石帶來的，這是因為從遙感數據和月球樣品分析數據來看，月壤表層的水(羥基)含量比深層要高;第二種是內生說，即水是月球內部排放出來的，這是固體巖石行星水來源的最通常情況;第三種則認為月球上的水是由彗星類天體從太陽系外緣帶來的天然水。

相比月壤120ppm的水含量，巖石中的水含量為180ppm。那么巖石比月壤多出來的水，又來自哪里?研究人員推測，多出來的水可能是月球內部的水。

黃少鵬也認為，多出來的水可能來自月球內部。這是因為上述文章報告的測量對象，是一塊由于隕石撞擊挖掘濺射出來的巖石，形成于月球深部，而且這塊巖石上有疑似噴氣孔，它的含水量比其周邊的月壤高，這就為月表水的內生說提供了有力證據。

此項研究成果意義非凡

證實月球上存在水，并估算水的具體含量，對于建設“月球科研站”等至關重要。那么這次發現的水，可以為人類所用嗎?

平勁松表示，巖石結晶水、表面水分子或羥基、表面一定深度下的水冰、更深處存在的液體水層、深部巖石縫隙里的液態水等，都可能是月球上水的存在形態。

與普遍意義上的液態水不同，“這次光譜儀探測到的‘水’，指的是礦物里的水分子或者羥基，在一定條件下才能轉化為我們熟悉的水。”林紅磊解釋道。

肖龍解釋說，水一般是自由態的，容易被分離和提取出來，稍微加熱就可以讓水蒸發出來。而羥基的提取難度就大得多了，它們基本存在于礦物內部，與其他原子緊密結合在一起，需要破壞礦物的結構之后，才能被分離出來，實用性自然沒辦法與水相比。以目前月球光譜遙感數據波段的覆蓋范圍，還無法區分這兩種存在形式。

“而且月球礦物里無論是水分子還是羥基，目前都還沒有直接的應用價值。”黃少鵬說，試想把1噸的石頭“吃干榨凈”，得到的水或羥基也只夠裝滿1個小型白酒瓶(125毫升)，而且這項艱巨的任務還得在月球上完成。

但即便如此，黃少鵬也指出“這項成果具有重大科學意義”。他說，水是生命之源，此前科學家都是通過遙感衛星或采回的月球樣品探測到水，而這是第一次在月球現場實時“看”到了水;此外，這項研究提供了內生月表水存在的重要證據，從而指明了探測月球水資源的一個重要方向;最后，水在月球、地球以及行星演化中具有重要作用，這項成果對于研究太陽系的起源和演化具有重要的理論意義。(唐芳)

關鍵詞：嫦娥五號月表原位探測數據采樣區