我們的月亮，原來真的是枚「水冰月」！

原標題：我們的月亮，原來真的是枚「水冰月」！

作者：haibaraemily

編輯：小柒

地球這顆「藍色彈珠」，是太陽系中唯一一個水之星球，正是這些珍貴的液態水，幫助地球孕育出了生命。但與地球相隔僅38萬公里的月球，卻完全是另一番光景——這裡一片荒蕪，寸草不生。

圖：地球和月球的對照（大小沒有按實際比例）。來源：維基

月球上有沒有水？

幾十年前的人們普遍認為是沒有的。它既沒有什麼大氣層和磁場，重力又那麼小，日間溫度還很高。怎麼看都不像是能留住水的樣子。

人們在過去很長一段時間裡，都沒有在月球表面觀測到任何形式的水。即使阿波羅登月任務帶回的月球岩石樣本中，曾檢測到的少量的水，早期也被認為很可能是地球大氣污染的結果[2]。

這倒也並不令人驚訝，畢竟月球和內太陽系的幾個其他岩質大天體，在形成之初都經歷了劇烈的小天體撞擊，個個都像熔融炙熱的冶煉爐，即使曾經有過水，可能早已在極度高溫中散逸殆盡了。

但在那之後，月球上是不是有可能產生新的水呢？這些水有沒有可能在月球上的某處保存下來呢？

月球兩極數次找冰，均未實錘

或者，我們可以把問題簡化成：月球上哪裡最可能保存水呢？

答案是最冷的、光照最少的地方——月球的南北兩極，更準確的說，是月球南北兩極的永久陰影區（Permanently shaded regions，PSRs）里。

什麼是永久陰影呢？由於月球的自轉軸幾乎垂直於黃道面（自轉軸傾角只有1.5°），於是南北極一些低洼的地方（比如隕石坑底部）可能會永遠不被太陽光直射到，因此溫度應當非常低（零下150攝氏度以下）。

早在1952年，諾貝爾化學獎得主哈羅德·尤里曾提出猜想：「如果這些陰影區里原先就有固態的水（水冰）存在，就會一直保存下來，或者氣態形式的水來到了到這些陰影區中時，也會以水冰的形式被永久地封存住。」[3]

這樣的猜想靠不靠譜呢？後來的事實證明，還真有其事。因為目前已有兩個和月球有類似傾角的星球——水星和穀神星（分別是0.03°和4°）已被證實極區永久陰影區里存在不少水冰[4-6]。

反倒是月球，離我們更近、被觀測次數最多、已發射探測器也最多，卻始終沒找到水冰存在的確鑿證據。只有那麼幾次「差點成功」的案例。

比如1998年發射的月球探勘者號（Lunar Prospector）探測器，它搭載的中子光譜儀在月球極區探測到了氫的富集[7]。但這既可能是水冰，也同樣可能是任何含有氫的物質——如礦物中含有的水，或者是結構水（羥基OH）。我們無法判斷到底是哪一種。

月球探勘者號的中子光譜儀測量的月球極區超熱中子量分布，越藍表示越低（氫越多），越紅表示越高（氫越少）。來源：參考文獻[8]

為了「最後一搏」，月球探勘者號任務快要結束時，飛向月球南極一個理論上的永久陰影區的大隕石坑內，想藉助墜毀時的撞擊看看能否觀察到水冰氣化產生的羽流。

月球探勘者號「壯烈犧牲」，仍然一無所獲，人們沒有從這次撞擊觀察到任何水汽或者羽流。

月球南極的舒梅克隕石坑（紅色箭頭）。來源：維基

2008年發射的月船1號（Chandrayaan-1）探測器總算髮現一點苗頭——它搭載的月球礦物繪圖儀（簡稱M3）在月球極區發現了羥基/礦物中水的富集[9]。

但遺憾的是，M3可探測的波段大致範圍是0.46-2.98 μm（可見光到近紅外光），而能很好地區分水、羥基和水冰的差異的波段為3 μm左右，正好差了那麼一點。因此當時只能利用2.8-3.0 μm波段的反射光譜特徵，仍然不能很好判定是哪種形式的水。

（左）月船1號的M3探測的月球極區水/羥基的富集（越藍表示越富集）。來源：NASA；（右）羥基（OH）、水和水冰在3 μm（3000 nm）附近有的不同波段有不同的吸收特徵，但月船1號的M3剛好沒能完整覆蓋這個區域。來源：參考文獻[9]

到了2009年，NASA再一次嘗試了「撞擊找冰」。這一次，月球坑觀測和遙感衛星（LCROSS）的撞擊地點是月球南極的Cabeus隕石坑。這次撞擊成功地撞出了含有水蒸氣的羽流，證實月球極區的永久陰影區里確實有某種形式的水。

但我們依舊無法從中判斷這些「水」的存在方式，也不知道它們來自月球地表還是埋藏於月球地下。

總之，科學家們長久以來都沒有在月球發現直接確鑿的水冰存在證據。

直到近日，來自夏威夷大學的李帥團隊利用光譜數據在月球極區發現了水冰，首次獲得了月球存在水冰的直接證據。這一成果發表於2018年8月20日的《美國科學院院刊》[1]。

塵封的寶藏：再探月船1號M3數據

而令人意外的是，李帥團隊驗證月球水冰的數據正是來自10年前的月船1號。

月船1號結束任務已經快10年了，此後的月球探測任務可以用「前赴後繼」來形容。海量的探測數據讓科學家們應接不暇，而10年前的月船1號M3數據質量並不好（尤其是那些光照極少的南北極陰影區的數據）。漸漸地，尋找月球水冰的科學家們放棄了對月船1號M3的數據的探索。

但李帥團隊恰恰是從這批數據中得到了月球有水冰的證據。

對此，布朗大學的行星科學家、M3儀器的項目負責人Carle Pieters坦言：「當李帥第一次提出打算用M3數據進行月球水冰探索時，我覺得他一定是瘋了。[10]」

那麼，李帥團隊是如何從質量如此不盡如人意的數據中揭秘月球冰水的呢？原來，M3的反射光譜數據雖然無法區分3 μm附近不同形態的水，但水冰在M3的探測波段範圍（0.46-2.98 μm）內還有三個顯著的特徵吸收，分別在1.3、1.5和2.0 μm處——李帥團隊就是通過這三處特徵吸收來判定陰影區中有沒有水冰存在的。

（左）本次研究採用的判定水冰存在的反射光譜特徵指標。來源：參考文獻[1]（右）火星上富含水冰的區域展現出的相似的光譜特徵（1.65μm處的尖峰是儀器問題）。來源：參考文獻[11]

在對低質量的M3觀測數據的巧妙處理和對處理結果的充分驗證之後，李帥團隊最終確認在月球南北緯70°以上的永久陰影區中發現了多處含有水冰的區域。

這成為人類首次在月球發現水冰存在的直接證據。

（左）月球南北極區含有水冰的位置（天藍色點），底圖的灰度代表表面溫度，顏色越深就越冷；（右）三處含有水冰區域的反射光譜示例（虛線是實際觀測值，實線是平滑後的結果）。來源：參考文獻[1]

月球曾經「乾坤挪移」？

除了在月球極區發現了水冰的存在，李帥團隊還發現了一件「怪事」：在水星、穀神星發現水冰大多分布廣、純度較高，而月球極區永久陰影區中僅僅只有很少的地方（3.5%的區域）發現了水冰，同時水冰含量（質量百分比）只有5%。這意味著，發現的水冰是和大量月壤混合在一起的，純度並不高。

李帥團隊對此的解釋是：這可能是因為月球的南北極區「變成」極區的時間並不長，或者說，月球的極區位置曾發生過大幅度、非周期的變化。

這個現象叫做「真極移」（true polar wonder）。真極移在太陽系天體的發展歷程中倒也不算罕見，如火星、木衛二、土衛二，目前都普遍認為曾經發生過真極移。有些研究認為地球[12]和月球[13]也曾經發生過真極移。

圖：以地球為例的真極移示意圖（並不是說地球真的一定發生過這樣的真極移）。來源：維基

如果月球曾經發生過真極移，那說明最近這次自轉軸位置發生變化之後，很少有新的水冰再補充進來。現在發現的極區水冰很可能非常古老了，這或許對我們追溯月球上水的來源和變遷有重要啟示。

另外，這次發現的月球水冰可能僅僅只是 「冰山一角」，畢竟M3的探測範圍只有地表以下1-2毫米[2]，地下更深處很可能還藏著更多水冰——這還需要更先進的探測器甚至著陸器的實地探測來給出答案。

有朝一日，如果人類真的可以重訪月球，甚至建立長期的月球基地，這些水冰將會變為非常寶貴的儲備。經過合理的開採和處理之後，不僅有望為人類的月球之旅提供飲用水，還可以通過分解來提供呼吸所需的氧氣和作為火箭推進劑的氫氣。

這麼一想，我們似乎離駐紮月球又近了一點呢~

M3儀器的項目負責人Carle Pieters說：「這麼多年以來，我已經學會了不對一個朝氣蓬勃的年輕科學家說：某件極其困難的事是絕對不可能完成的。[10]」

想必這回李帥團隊的發現，算是對這句話很好的應驗了。

對本文作者李帥的採訪

這項研究的第一作者李帥，目前正在夏威夷大學從事博士後研究。此前，他曾在南京大學、中科院遙感所、布朗大學進行研修。本文有幸採訪到李帥本人，請他對本項研究相關問題進行解答。

Q1：在此之前也有研究者通過雷達等觀測手段做了大量嘗試，因何都沒有探測到水冰呢？

李帥：雷達探測對水冰含量有最低限制，要麼就是大塊的冰塊，要麼就是含量超過40%的含冰顆粒，要到這種純度雷達才會有顯著信號。而我們探測到的極區水冰含量遠低於這個下限。這很好理解，極區如果長期沒有新的水冰補充，而舊的水冰又不斷被小天體長期撞擊所打碎和混合，是不可能有大塊冰塊的，所以我非常理解為什麼雷達觀測沒有探測到。事實上，LRO的影像數據中也沒有看到任何異常，我想是因為同樣的原因。

Q2：在極區發現水冰是非常困難的，而具體難在何處呢？

李帥：確實，自探測器時代以來，我們研究月球已經超過半個世紀，但其實對極地的成分分布了解還非常少。這主要是因為無法獲取極區陰影區的光譜數據，而其他數據不是解析度太低，就是不具備分析成分的能力。但對極區的研究又非常重要，因為這裡的環境特殊，沒有太陽的直射，再加上極地的溫度那麼低，那麼很有可能那裡還保留著很多與月球形成初期有關的活動，這對我們解開地月成因乃至追溯太陽系內的諸多早期活動都非常有用。

Q3：針對極地的成分探測需要搭載哪些科學儀器呢？比如LP當年攜帶的儀器，已經跟不上現在的需求了吧？

李帥：對的，LP的儀器解析度都太低了。軌道器的話，最需要的還是高靈敏的光譜儀、質譜儀這類探測成分的儀器，對於月球這種不活躍的天體來說，一個高質量的光譜儀可以解決很多問題。著陸器和月球車這種實地考察當然更好了，那甚至可以直接打鑽採樣，以及測量冰的厚度，比如如果能打鑽到10米深度，就可以測量不同深度的光譜了。

Q4：這次在月球極區確認發現了水冰，接下來你有沒有想要進一步探索的計劃呢？

李帥：當然有，正是因為對極區的探測既困難又非常重要，所以我真的很希望將來能有一個新的軌道器，專門針對極地進行探測。

作者名片

排版：小爽

題圖來源：douban

參考文獻：

[1] Li, S., Lucey, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., ... & Elphic, R. C. (2018). Direct Detections of Surface Exposed Water Ice in the Lunar Polar Regions. LPI Contributions, 2087.

[2]Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B., ... & Hibbitts, C. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

[3]Urey, H. C. (1952) The Planets: Their Origin and Development (Yale Univ Press, New Haven, CT).

[4]Neumann, G. A., Cavanaugh, J. F., Sun, X., Mazarico, E. M., Smith, D. E., Zuber, M. T., ... & Barnouin, O. S. (2012). Bright and dark polar deposits on Mercury: Evidence for surface volatiles. Science, 1229764.

[5]Deutsch, A. N., Neumann, G. A., & Head, J. W. (2017). New evidence for surface water ice in small‐scale cold traps and in three large craters at the north polar region of Mercury from the Mercury Laser Altimeter. Geophysical Research Letters, 44(18), 9233-9241.

[6]Platz, T., Nathues, A., Schorghofer, N., Preusker, F., Mazarico, E., Schr?der, S. E., ... & Sch?fer, M. (2017). Surface water-ice deposits in the northern shadowed regions of Ceres. Nature Astronomy, 1(1), 0007.

[7]Feldman, W. C., Maurice, S., Binder, A. B., Barraclough, B. L., Elphic, R. C., & Lawrence, D. J. (1998). Fluxes of fast and epithermal neutrons from Lunar Prospector: Evidence for water ice at the lunar poles. Science, 281(5382), 1496-1500.

[8]Lawrence, D. J. (2017). A tale of two poles: Toward understanding the presence, distribution, and origin of volatiles at the polar regions of the Moon and Mercury. Journal of Geophysical Research: Planets, 122(1), 21-52.

[9]Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B., ... & Hibbitts, C. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

[10]https://www.scientificamerican.com/article/beyond-the-shadow-of-a-doubt-water-ice-exists-on-the-moon/

[11]Dundas, C. M., Bramson, A. M., Ojha, L., Wray, J. J., Mellon, M. T., Byrne, S., ... & Clark, E. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199-201.

[12] Steinberger, B., & Torsvik, T. H. (2008). Absolute plate motions and true polar wander in the absence of hotspot tracks. Nature, 452(7187), 620.

[13] Siegler, M. A., Miller, R. S., Keane, J. T., Laneuville, M., Paige, D. A., Matsuyama, I., ... & Poston, M. J. (2016). Lunar true polar wander inferred from polar hydrogen. Nature, 531(7595), 480.

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