月亮上的幾種水

有關月球的另一個謎團是月球上會不會有水，如果有，它們會存在於月球上的什麼地方呢？

一、月球探測器「克萊門汀」

現在一般認為，45億年前，太陽系誕生的時候，組成它的物質是氣體、塵埃和冰，那些冰處在太陽系的外圍，它們聚合在大大小小的彗星里，這些彗星和一些小行星曾在太陽系形成後的很長時間裡頻繁撞擊了地球，為地球帶來了大量的水。有人認為，在太陽系形成後的大約10億年里，地球遭受了一億顆彗星的撞擊，尤其是在地球完全形成之後，這樣的撞擊尤為密集。

月球處在和地球相同的天區，既然地球頻繁地遭受了彗星的撞擊而獲得了大量的水，那麼月球也不應該例外。然而問題是，僅僅獲得水並不意味著一定能在月球上找到水。月球上的白天可以超過100攝氏度，這樣的溫度會讓水冰很快熔化，沸騰，並揮發掉，而月球的引力場又太弱，只有地球的六分之一，不足以束縛向太空逃逸的水蒸汽，所以有人認為，月球上如果有水的話，它們只能分布在陰暗的隕石坑裡，那裡的一些地方終年照不到太陽，溫度為零下240攝氏度，在月亮上，這樣的低溫足以維繫水冰的存在。

1994年1月25日，美國發射了一艘名為「克萊門汀」的月球探測器（圖1），它的主要任務是試驗一系列新技術，繪製月球表面數字地圖以及交會一顆名為「喬格拉福斯」的近地小行星，但那次交會並沒有成功，因為探測器在離開月球軌道後出現無法控制的自旋。

圖1 月球探測器「克萊門汀」

2月6日，「克萊門汀」開始繞月飛行，它對月球拍照，從事勘測活動，其中一項實驗是向月球南極（圖2）附近的一處隕石坑發射無線電波，這些電波反射後被地球上的天線所接收。科學家們分析了這些電波後發現，那些反射波似乎來自含有水冰的物質。

圖2 月球探測器「克萊門汀」拍攝的月球南極地區

這樣的結果很合理，與人們的推測十分吻合，然而，當天文學家利用波多黎各的阿雷西波射電望遠鏡在相同的隕石坑裡再一次找尋水冰時，他們卻未能找到相同的結果。究竟月球隕石坑裡有沒有水呢？

二、「冷井」理論

到月極附近找水的想法產生於上世紀70年代。當時美國加利福尼亞大學的一位科學家詹姆斯.阿諾德指出，月極附近較深的隕石坑裡不會有陽光照進去，因而那裡極冷，能起到收集水和其他易揮發物質的作用，可稱為「冷井」。「冷井」很像一杯夏天的冰茶。假若你仔細觀察夏天的冰茶，你便能看到它在收集空氣中的水分，並凝結成水滴。「冷井」就起了那樣的作用。

從1994年起，人們便一直在依照「冷井」理論在月極附近尋找水的線索，其中的一種方法是，通過人造撞擊揚起隕石坑中的塵土，然後近距離地用光譜儀測出其中是否有水分存在。這樣的實驗已做過多次，除了2009年「月球隕石坑觀測與感測衛星」（圖3）撞擊了凱布斯隕石坑（圖4）外，進行過類似嘗試的還有「月球勘測者號」和「智慧一號」。

圖3 「月球隕石坑觀測與感測衛星」。其撞月進行了兩次，首先由宇宙神5號火箭的半人馬座上面級從衛星分離撞擊了月面，然後衛星本身也撞擊了月面

圖4 「月球隕石坑觀測與感測衛星」的撞擊點：凱布斯隕石坑

人們發現，撞擊揚起的物質中確實有水，這證明「冷井」理論是很有說服力的。除了水以外，人們還發現了大量其他易揮發性物質，例如二氧化碳、氨、二氧化硫、甲烷和乙烯等，這些物質是彗星和小行星中常有的，這表明，月極附近隕石坑中的水很有可能是彗星和小行星帶來的，它們在「冷井」的作用下保留在了永乆陰影區里。

三、來自月壤的水

除了隕石坑中可能有水外，在月壤中是否也有水呢？2008年10月，印度的「月球一號」發射升空，它的上面裝配有一部由美國航空航天局提供的儀器----「月球礦物學繪圖儀」（圖5）。這部儀器通過探測月球表面反射光的波長顯示月球上有水分子和氫氧基存在的跡象，它偵測到反射的光波中缺少紅外線波長，表明那段光線被水分子吸收了（圖6）。

圖5 月球礦物學繪圖儀

圖6 「月球礦物學繪圖儀」繪製的圖像，藍色顯示水的存在

開始的時候，科學家們並不相信這樣的結果，但很快，他們在其他地方找到了更多的證據。人們發現，另外兩艘探測器----「卡西尼號」和「深度撞擊號」上的探測儀器也傳回過類似的信號，這兩艘探測器在飛往各自的探測目標時都途經了月球。

原來，這些水分子存在的信號來自於月壤。在月球上，太陽風無時不刻地撞擊月面並與月壤發生交互作用。太陽風主要由質子或帶正電荷的氫原子組成。當這些帶電的氫原子以三分之一光速衝擊月面時，它們會分解月壤礦物質中的氧分子。一旦有了游離狀態的氧分子和氫分子，水分子就容易形成了。人們推測，月球表面每立方米的土壤中大約含有一公升水，它們存在於最上層很薄的月壤中。此前，科學家們一直認為，如果月球上真的有水，那些水只會存在於極地的永乆陰影區里，月球的其他區域應該是完全乾燥的。現在，新的發現表明事實並非如此，水也可以存在於月壤中，這是人類月球找水的重大突破。

四、來自月岩的水

假若解釋月球起源的「大碰撞說」是正確的，那麼月球的內部也有可能含有水，因為碰撞發生後，有些水很可能被封閉在了月球中。

在晴朗的夜晚，只要有一架普通的天文望遠鏡，你就會發現，月面上遍布著大大小小的隕石坑，它們來自小行星、彗星和隕石的撞擊。仔細觀察，你還會發現，有些隕石坑中有一個小小的山峰，那是撞擊的反彈造成的。當碰撞發生後，月面被砸開了一個洞，它往往深達幾千千米，於是，月球內部的物質便從洞中湧出來，它們越堆越高，待冷卻後，便形成了一座山。可以想見，如果月球內部含有水，水便會被這種運動帶到月面上來，它們會隱藏在這樣的山上，觀測這樣的山峰或許能夠找到水。

現在人們發現，這種山上可能確實存在水。原來「月球礦物學繪圖儀」還觀測了一個位於月球赤道附近的隕石坑，名為布利奧隕石坑（圖7），直徑大約61千米，是以17世紀法國天文學家布利奧的名字命名的。

圖7 布利奧隕石坑

在這個隕石坑的中間有一座山峰，而「月球礦物學繪圖儀」發現，這座山峰的月岩中含有不少氫氧基，它們存在於一種名為磷灰石的月岩中。如果你加熱這種月岩，裡面的氫氧基離子便會「分解」併產生水。探測表明，在這座山峰的月岩中，氫氧基的含量足以和水的存在產生密切的聯繫，表明這個隕石坑中很有可能存在著來自月球深處的水。這項研究為月球水的分布提供了另外一個重要的觀點，那就是月球內部的月岩中也含有水。

到目前為止，科學家們已在月球上找到了上述三種以不同形式可能存在的水。它們分別位於月極永久陰影區、月壤和月岩中。在月球上，水不僅可以飲用，灌溉，還可以提取氧和氫，因而尋找和提取月球上的水對未來人類的月球探索和登月行動具有重要意義。

本文由王芳摘編自張唯誠著《出發吧，天空監測器》（科學出版社.2016.7）第七章部分，有刪節。

ISBN978-7-03-048896-1

在進入太空時代以前，人們有關太陽系的知識都來自於肉眼和望遠鏡的觀測，但太空時代到來後，人們對太陽系的認識便越來越多地依賴太空探測器。探測器不僅能飛到星球附近對其進行近距離的研究，還把人類包括視覺在內的各種感官的感覺能力延伸到了太陽系的邊緣。這是繼望遠鏡之後的又一次偉大進步，人類也因此獲得了大量有關太陽系的知識，並且在質和量上都形成了一次飛躍。本書將向讀者全面生動地介紹這樣一次偉大的發現之旅。

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