月球之水

郑永春

zyc@nao.cas.cn

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（图1-3），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。

在月球水冰设想提出后的30余年间，许多科学家进行了多方面的探索，但无论是早期的绕月探测器、不载人的着陆探测器以及阿波罗载人登月的实地考察，还是月球样品和月球陨石在实验室内的研究，都没有找到月球有水的确凿证据。因此大多数科学家认为，月球表面不存在任何形式的水，并提出四个方面的证据来支持他们的观点：

证据一，月球岩石主要是岩浆冷却形成的各类火成岩，没有发现与水作用有关的沉积岩（包括砂岩、页岩和石灰岩等）。

证据二，月球的主要矿物是常见的无水矿物，即辉石、斜长石、橄榄石、钛铁矿、尖晶石等，没有发现任何原生或次生的含水矿物，如粘土、云母、石膏等。

证据三，在月球上没有发现大气、水体和生物等能够证明水存在的痕迹。

证据四，月球表面在数十亿年间经历了无数小天体的频繁撞击，月球即便曾经有水，撞击过程产生的高温熔融也早已使这些水逃逸。加上月球没有大气层、引力束缚小等因素，使得月球表面很难保有水的存在。

图1：月球北极地区一年中的光照时间占全年的百分比

右图为月球上北纬86～90度北极地区的地形和光照情况。左图为右图的局部放大（比例尺为15 km），中间的色标表示一年中的光照时间占全年的百分比，左图中光照度为0%的黑色斑块表示撞击坑底部太阳光照射不到的永久阴影区，少数光照度100%的白色区域为永久光照区，一般位于山顶。

图2：月球南极高程图

月球南极地区海拔高程的假彩色图像，红色表示海拔高的地区，蓝色表示海拔低的地区。黑圈内为太阳系中最大最深的盆地——爱特肯盆地，其中有大面积的永久阴影区。

图3：月球南极地区一年中的光照时间占全年的百分比

A箭头所指为美国未来月球基地的选址区之一，位于沙克尔顿环形山（圆心右侧环形撞击坑）的山顶，为永久光照区（可以为月球基地提供永久的能源供应），而环形山底部为-233 ℃（可以为月球基地的一些科学实验提供极端实验环境）。

二、九十年代两次找水

（一）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（也叫双站雷达或收发分置雷达）。这台雷达的探测原理（图4）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。

图4：克莱门汀号的双基地雷达探测原理

如果月球表面的探测目标中含有冰冻挥发物（如水冰），回波信号会展现出与干燥月壤不同的极化方式和能量特征。1994年4月，当克莱门汀号绕月第234圈（图5），运行到月球南极上空200千米高度，并与月球、地面接收站在一条直线上时，雷达回波出现特殊散射效应，即雷达回波不呈现干燥月壤所应具有的特征，而呈现出挥发性冰的特征（可能混杂有土壤和沙砾）。由此看来，月球两极水的存在似乎第一次有了直接证据。

图5：克莱门汀号的雷达探测结果

上图为克莱门汀号两轨雷达探测的足迹，其中第234轨直接飞越南极永久阴影区上空，第235轨飞越的南极地形与234轨相似，但飞越的是光照区。下图显示234轨的探测数据出现雷达回波异常，但235轨没有发现回波异常。

根据斯图尔特·诺泽特等1996年发表在《科学（Sciences）》杂志的研究结果，产生异常回波的区域正好位于月球永久阴影区，太阳照射到的月表区域的回波则没有发生异常。月球北极地区没有大的盆地，永久阴影区面积约为530平方千米，而南极地区存在直径大于2500千米、深度达12千米的爱特肯盆地，永久阴影区面积约为6361平方千米。因此，南极地区的水冰可能比北极地区更多。

但也有科学家认为，根据克莱门汀号上的雷达探测结果既不能肯定水冰的存在，也无法确定水冰的准确储量。因为该雷达在极地观测时采用82°～90°的大入射角，这本身就可能导致异常回波。而且，那些非水冰的低损耗物质、粗糙月表等因素，同样也会引起回波异常。

事实上，早在1992年，美国康纳尔大学的博士生斯泰西利用全球最大的306米口径射电望远镜改造的雷达，以125米的空间分辨率对月球极地进行地基观测，试图搜寻月球极地永久阴影区的水冰。雷达波长和入射角与克莱门汀号上的雷达相似，但两者的观测结果却存在部分不一致。地基雷达观测没有发现任何一块面积大于1平方千米的区域存在回波异常，这至少表明月球极区不存在大面积分布的水冰。虽然地基雷达也发现月球上有些小区域存在回波异常，但这些区域中居然有些是位于太阳照射区，而非永久阴影区。甚至在月球北纬47°（中纬度）的虹湾地区也发现了回波异常。这显然是非常令人困惑的结果。

总之，认为克莱门汀号雷达回波异常是月球水冰引起的观点一直受到广泛争议。但无论如何，月球极区有无水冰的问题再次引起了学术界、媒体和公众的广泛关注。

（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。探测结果（图6）显示，在月球两极地区存在丰富的氢，而且北极的氢信号比南极稍强，据此推测月球极区可能含有丰富的水冰。通过分析探测数据认为，这些区域月壤中的水冰含量约为0.1%～0.3%，可能是以冰粒和月壤混合物（俗称脏冰）的形式存在，分布深度约为月表40厘米深处，两极水冰总有效面积约为1850平方千米。有专家估算，月球极区水冰的总储量约66亿吨。

相对雷达探测，中子探测结果引起的争论相对要小得多，它似乎为水冰的存在提供了强有力的证据。但中子探测反映的只是两极永久阴影区存在大量氢，而这些氢是以水冰还是别的物质形式存在，又成为各方争论的焦点。

图6：月球勘探者号中子探测仪获得的月球两极氢含量分布图

1999年7月31日，月球勘探者号以每小时6115千米的速度向月球极区预定目标撞去，科学家原本估计撞击将激发约18千克的水蒸气供地基和空基观测，希望得到无可争议的水冰存在的证据。遗憾的是，月球勘探者号撞击后却没有出现期待中的水汽云，哈勃空间望远镜和德克萨斯大学麦克唐纳天文台都没有观测到任何有关水的信息。

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，其理由当然是阿波罗登月采集的月球样品中没有发现水。

然而，随着精密分析技术的提高，阿波罗样品不含水的结论在近期被推翻了。华盛顿卡内基学院的埃里克•霍利研发了二次离子质谱分析技术，能够探测样本中非常微量的元素，他们利用该技术成功发现地球熔融地幔中含有水。美国布朗大学的阿尔贝托·萨尔曾参与该研究，希望将该技术应用在月球样品研究上，他用三年时间才说服NASA提供研究经费，并从阿波罗样品中挑选了约40颗月球火山玻璃（图7）的珍贵样品。萨尔的研究小组并没有直接发现水，而是分析氢的含量，分析结果与地球地幔样品中氢和水的分析结果相似，这说明月球内部可能与地球的地幔一样存在大量的水。这一研究成果2008年发表在《自然》杂志上，在阿波罗火山玻璃中发现的氢含量经计算出的水含量与前苏联科学家1978年宣布的大致相当。

图7：阿波罗计划采集的月球样品中的火山玻璃

2010年3月3日，美国卫斯理大学詹姆斯•格林伍德教授在休斯顿召开的第41届月球与行星科学会议上宣布，他们在阿波罗月球岩石样品中发现了微量水，最高含量可能只有千分之几。研究人员利用电子微探针的粒子束轰击磷灰石，可以计算出岩石样本内氟和氯的含量。根据磷灰石的计算公式，氟和氯的含量表明，要使得磷灰石的晶体结构趋于完整，还需另一种化合物。研究人员得出的结论是，这种化合物可能是氢氧化物——磷灰石和水分解后的产物。他表示这项研究证明月球岩石中的水并不是来自于地球。

近年来，随着科学仪器的灵敏度和分析精度的显著提高，相继在月球样品中发现氢或水，而且我们相信今后还将有类似证据表明月球样品中含有氢或水，但这种氢或水存在于矿物晶格内，含量甚微，也极难提取，难以改变月球绝对干燥的结论。

（二）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。而雷达探测不依赖光照，可以对月球两极永久阴影区进行成像，可望获得撞击坑底部的地形和水冰是否存在的确凿证据。

美国给印度月船一号探测器（图8）提供了多套科学仪器，其中就包括一台微型的合成孔径雷达（Mini-SAR）。由于克莱门汀号的雷达探测结果受到争议，这次月船一号上的微型雷达在设计时采用了与克莱门汀号雷达不同的工作方式，即发射左旋极化信号，接收水平极化和垂直极化的反射信号，这种工作方式可以保留反射信号的全部信息，从而明确判断回波异常到底是由水冰-月壤混合物引起的，还是其它因素引起的。

根据2010年3月在休斯敦召开的第41届月球与行星科学会议上公布的结果（图9），微型雷达在月球北极发现了40多个大小不等（直径大约1.6千米～15千米）的撞击坑具有异常的回波特征。其中，约30个撞击坑只有坑内出现回波异常，坑环和外围都没有出现回波异常，推测是由于坑内含有水冰引起的；另有11个撞击坑的坑内和外围都出现回波异常，推测是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南极也发现了类似的现象。这说明，月球极区的这些撞击坑内很可能存在水冰。据初步估算，月球北极的30余个撞击坑内大约有6亿吨水冰。而且，未来可能选址作为月球基地的南极休梅克撞击坑内，也发现了水冰。

图8：印度月船一号卫星及其科学仪器的分布

图9：月船一号的微型雷达探测获得的月球北极地区圆极化率（CPR）图。绿色圆圈内出现的雷达回波异常可能是由水冰引起的；红色圆圈内出现的回波异常则是由其他因素造成的。

根据雷达探测的原理，这些撞击坑内的水冰很可能是以大冰块或冰层的形式存在，分布在10米厚的月壤层内。

（三）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（图10）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（由一个氢原子和一个氧原子组成），或可能是水的光谱信号。

图10：月球矿物制图仪得到的月球正面太阳近红外辐射图。图中蓝色表示可能含有微量水和羟基的区域，分布在两极寒冷的高纬度地区；绿色表示波长为2.4μm的表面亮度；橙色和粉色表示含铁矿物分布的区域。

虽然以前也曾经在月球探测中发现过类似的光谱信号，但都没有得到应有的重视。比如，1996年～1999年，美国MMT天文台台长费思·维拉斯及其同事利用地基望远镜开展了对月观测，在月球极区发现了水合物的光谱信号，但由于极区大部分地区都出现了水合物的光谱信号，甚至有些地区的白天温度可能超过100℃（水的沸点），因此这一研究结果备受质疑，以至于没有一家期刊愿意发表他们的论文，使这一结论在10年后的2008年才得以发表在一家鲜为人知的日本刊物上。

此外，1997年10月发射的卡西尼号土星探测器，在1999年9月借力地球飞行时曾经对准月球开展过探测，2005年1月深度撞击号空间探测器在发射几天后奔赴彗星的途中，也曾经对准月球开展了短暂探测。这两个探测器上的光谱仪都探测到了类似水的光谱信号。但这些信号非常微弱，几乎淹没在背景噪声信号中，没有得到应有的重视。

这次月球矿物制图仪获得的结果与其他几次月球光谱探测的结果一致，因此，部分专家认为，目前基本上可以证实月球上确实有水。由于光谱探测只能感应表面几毫米的深度，因此，月球矿物制图仪发现的水应该存在于月表数毫米厚的月尘内，含量甚微，与月球矿物以结晶水形式存在。按照地质学的经验，结晶水与矿物之间的结合非常牢固，常常需要加热到200℃甚至更高的温度才能释放出来，这就解释了为什么在白天温度可以达到130℃左右的月球中低纬度地区也检测到了羟基信号。

（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。中子探测仪在月球撞击坑内的永久阴影区发现了丰富的氢（氢很有可能以水的形式存在）（图11）。

由于中子探测仪的探测深度为月球表层数米厚的月壤，因此这些"水"可能是以冰粒形式与月壤混合，即前面提到的"脏冰"。但令人费解的是，在温度较高、日照强烈的三个撞击坑外围地区，也发现了丰富的氢。

图11：LRO的中子探测仪得到的月球南极氢含量分布图

（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（Cabeus），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。遗憾的是，LCROSS的撞击规模和亮度都远低于预计，地面和其它空间探测器上的观测设备甚至没能观测到明显的撞击效果，与撞击前的高调宣传形成很大的反差。

2010年3月，美国宇航局专门召开新闻发布会，宣布LCROSS的撞击成功地证实月球上确实有水。据报道，半人马座火箭撞击产生的溅射物（图12）包括两部分，一部分由密度较小的蒸汽和粉尘组成，在撞击后腾空而起；另一部分由密度较大的岩石块和颗粒组成，撞击后向四周抛射。在这次不甚成功的撞击后，科学家团队顶着压力，几乎夜以继日地分析牧羊航天器传回的大量数据。研究重点集中在光谱仪的探测数据，这是月球上存在水的重要证据。

科学家们首先排除了半人马座火箭污染月表的可能性，接着他们用水和其它物质已知的近红外光谱信号，同LCROSS近红外光谱仪在撞击中获得的光谱信号进行对比（图13），发现只有月壤与水的混合光谱，与LCROSS获得的光谱相似。而月壤与任何其它含羟基化合物的混合光谱，都无法与LCROSS的观测结果相匹配。

图12：LCROSS上的可见光相机拍摄的照片显示了撞击发生后20秒出现的羽状溅射物

图13：LCROSS观测数据与模型拟合的对比图。其中蓝色曲线为下视近红外光谱仪测量得到的光谱曲线，红色曲线为月壤与水冰混合物的光谱模型，两条曲线的吸收特征明显重叠（黄色区域），证明吸收特征是水冰引起的。

LCROSS首席科学家安东尼·克拉普雷特说，我们简直欣喜若狂，有多重证据表明，水同时存在于上述两部分溅射物中。虽然水的浓度和分布还需进一步分析，但可以肯定的是，凯布斯坑中确实有水存在。

另外，紫外光谱仪在撞击溅射物中也检测到了蒸汽和碎片云的光谱特征（图14），进一步证实了水的存在。

图14：紫外/可见光谱仪在刚撞击后的观测数据显示了发射谱线的变化（如箭头所示），这些发射谱线具有蒸汽和碎片云混合物的特征

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。这就使得不同科学家对同一探测结果有两种甚至几种不同的解释，从而引发对月球是否确实有水的争议。

但此次多个探测器采用不同探测手段获得的探测结果，一致支持月球有水的解释。特别是光谱探测的结果发现月球上有丰富的羟基存在，而且地面的模拟实验研究，也支持只有月壤与水的混合才能符合光谱探测结果，这使得月球有水得到很多专家的认可。而且，与以前的预测相比，水的分布范围可能更广泛。

如上所述，目前认为月球上水的存在形式主要有三种。第一种是与矿物结合的结晶水，这种结合非常牢固，只有月壤被加热到几百摄氏度的时候才能释放出来，月球白天温度100多摄氏度还无法使这些水逃逸，这也就解释了为什么在月球的中低纬度地区和太阳光照射地区仍然能探测到水的原因；第二种是与月壤以冰尘混合物形式存在的"脏冰"，这种冰只能存在于温度极低的永久阴影区内，含量约为0.1%，很难收集和利用，对未来月球基地没有利用价值；第三种就是以冰块或冰层形式埋藏在月壤内的水冰。

就目前的技术水平而言，月球水冰的发现只有科学上的意义，还不具备开发利用前景。首先，月球撞击坑内一吨月壤的含水量还不到1千克，要把这样微量的水从月壤中搜集起来再利用，代价是很高昂的。其次，这些撞击坑的深度达两三千米，坑内一片漆黑，温度低至-240℃，而坑外太阳光能照射到的地区，温度又高达110℃～130℃，任何仪器和宇航员在这样的温度条件下都无法开展工作。

在发现月球上存在水的诸多证据之后，接下来科学家还需要回答一系列问题，如月球上的水是从哪里来的？是否来源于太阳风喷射到月球的连续质子流？或是彗星和小行星的撞击带去的？这些水在月球上是怎样移动的？在月球上的水中，被矿物吸收的结晶水占多大比例，与月壤以"脏冰"形式存在的水又占多大比例？最可能有利用价值的冰块或冰层分布在哪里？等等。这些问题还需要进一步研究才有可能得以解决。

注：原文登载于《中国国家天文》2010年第4期