月球之水

作者: 郑永春

来源: 《中国国家天文》2010年第4期

发布日期: 2015-02-12 10:01:54

本文讨论了月球上是否存在水的问题,通过多个探测与研究结果,支持了月球上存在水的观点。文章详细介绍了不同探测手段的结果,包括雷达探测、中子探测、光谱探测等,并讨论了月球上水的可能存在形式及其对未来月球基地供水问题的意义。

按:一直以来,月球上有没有水及其赋存方式等问题在学术界争论不休,最近的一些探测与研究结果明显支持了月球上存在水的观点:

2008年,科学家在阿波罗宇航员登月采集的月球火山玻璃中检测到水。2009年11月,美国宇航局(NASA)宣布,与月球勘测轨道器(LRO)一同发射的月球坑观测和传感卫星(LCROSS)撞击月球获得重要成果,撞击过程的分析数据表明,月球上存在水。

2010年3月,科学家在含有磷灰石的月球岩石中检测到水。2010年3月1日,NASA宣布,由其负责研制、搭载在印度月船一号探测器上的一台微型雷达探测取得重要进展,获得了月球存在水冰的证据。

一、月球上没有任何形式的水?

月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思·沃森等在1961年提出的。他们认为,月球极地一些撞击坑底部可能处于太阳照射不到的永久阴影区,表层和次表层温度常年维持在40K左右(-223℃~-233℃)。原始月球脱气作用产生的水以及彗星撞击月球携带至月表的水等来源的水,在这样的低温条件下逃逸进入太空的概率很小,很可能会以水冰的形式长期保存下来。他们推测月球两极撞击坑底部可能存在大量水冰。

二、九十年代两次找水

(一)美国克莱门汀号的雷达探测

1994年1月25日,美国发射克莱门汀号月球探测器,该探测器上搭载了一台双基地雷达。这台雷达的探测原理是从绕月卫星向月球表面发射电磁波信号,在地球上接收反射回来的电磁波,根据回波信号可以推断月球表面物质的相关信息。

(二)美国月球勘探者号的中子探测

1998年1月7日美国发射了月球勘探者号探测器,其搭载的中子探测仪可以测量月球表面氢的含量。由于氢有可能是以水分子形式存在,所以氢信号的强弱可以间接反映水含量的多少。

三、发现月球有水

(一)美国发现阿波罗月球样品中存在水

虽然前苏联科学家早在1978年就在月球24号的样品中发现存在0.1%的水,但美国人根本不认可这一结果,他们认为所有的阿波罗样品都不含水,前苏联人发现的水是因样品保存不当导致的。

(二)印度月船一号的微型雷达探测

由于目前发现月球上存在水的地区基本上都位于南北极的永久阴影区内,这些地区由于地处高纬度,太阳每次基本上在地平线上划过,光线不能照射到撞击坑的底部,因此,可见光相机和其它需要依赖太阳光反射或激发的仪器都不能看到这些撞击坑底部的景象。

(三)印度月船一号的光谱探测

光谱探测利用的是月船一号上搭载的另一台科学仪器——由美国负责研制的月球矿物制图仪。2009年10月,美国布朗大学行星地质学家卡尔·皮埃特斯等在《科学》杂志上发表其研究成果,通过对月球矿物制图仪获得的近红外光谱进行仔细研究,他们发现几乎在月球所有纬度上都存在羟基,或可能是水的光谱信号。

(四)美国月球勘测轨道器的中子探测

与前面提到的月球勘探者号的中子探测原理相似,美国宇航局于2009年6月19日发射的月球勘测轨道器上也搭载了一台低能中子探测仪,通过记录中子计数探测氢的含量,并进而证明水的存在。

(五)LCROSS撞月探水

月球坑观测和传感卫星由牧羊航天器和半人马座火箭两部分组成,2009年10月9日,约2.2吨重的半人马座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞击月球南极的凯布斯坑,牧羊航天器上的科学仪器有4分钟时间探测撞击溅射物,并把探测数据传回地面控制中心。

四、如何解决月球基地的供水问题

由于遥感探测手段的限制,目前探测月球是否存在水冰只能采用间接方式,还无法直接测量水分子的存在,因此,月球上存在水的问题还缺乏直接的证据。

例如,中子探测仪发现月球上特别是极区的氢含量很高,但氢可能以其它化合物的形式存在,不一定证明有水;雷达探测主要根据月球表面对雷达波的反射来推测月壤内的物质,探测结果发现月球上存在类似冰块或冰层的反射体,但这些反射体也可能是别的物质,不一定是水冰;光谱探测发现月球上的羟基含量很高,但羟基也可能是以其它化合物的形式存在,不一定是水。

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