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水分子现身月球光照区,究竟有多少水可以供给人类使用?

水分子现身月球光照区,究竟有多少水可以供给人类使用?
2020-11-02 09:42:53 来源:科技日报

地球,这颗“蓝色星球”,依靠大量珍贵的液态水,孕育出蓬勃生命。但与地球相隔仅38万公里的月球,却一片荒芜,寸草不生。

月球究竟有没有水,科学家从未停下探索的脚步。如今,发表于《自然·天文学》的两项新研究证实,月球表面可能充满了水。

10月26日,《自然·天文学》杂志刊发,美国航天局依靠平流层红外天文台(以下简称“索菲亚”),在月球光照区-月球南半球的克拉维斯环形山表面,首次探测到了水分子。

这一发现表明,水可能分布在整个月球表面,而不仅限于寒冷、处于阴影的区域。换句话说,即使暴露在来自太阳的温暖辐射下,水也能在月球表面存在着。

另一项研究则发现,月球南北两极有4万平方米的永久阴影区,而它们具有捕获水的能力。

6微米波段,出现了水分子的辐射信号

确切地说,这并不是月球上首次发现水。

月球中有关水的探索,是从水的组分“出没”中逐渐拼凑出来的。南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者,长期以来,科学家们一般通过“光谱”的遥感探测来寻找水分子信号,而水冰的光谱在2微米附近,有显著的特征,所以科学家们一般通过这些特征来寻找月球上的水。

1998年,美国航天局的月球探勘者号探测器搭载了一台中子光谱仪,在月球南北极探测到了氢元素的富集。但这可能来自水,但也可能来自任何含有氢的物质。

对于科学家来说,那些被阳光照射到的,温度较高的区域是否有存在水,更加令人着迷。

2009年,印度月船1号、美国航天局的深度撞击号和卡西尼号三个不同的探测器,在阳光照射的月球表面发现了有关水的微弱痕迹,但他们无法分辨那究竟是水,还是仅仅是水的组分“羟基”。

当时,这几个探测器的光谱仪,波段大多在可见光到近红外线的范围,只能通过2.8-3.0微米波段的反射光谱吸收带来判断探测到的物质,而羟基、水在3微米波段附近有不同的吸收特征,但当时的探测器没能完整覆盖这个区域,所以科学家们无法只能判断,这到底是羟基还是水分子。

“当时有一种观点认为,月球表面存在羟基,羟基结合上氢就可以形成水,而宇宙中氢是司空见惯的,所以有羟基基本上就可能有水,但也不能说有羟基就一定存在水分子。”周礼勇说。

想要明确分辨羟基和水分子,并非无计可施。水分子在6微米波段有个独特的辐射信号,这是羟基完全没有的特征。

但是,想要检测到这种红外波段非常困难,目前的月球探测器上都没有装载能检测6微米红外波段的光谱仪。而地面观测器也无能为力,因为地球的大气层中的水蒸气会隔绝这部分波段的光。

于是,让飞机带着光谱仪飞到合适的高度进行检测,就成为不错的出路。执行这次特殊任务的索菲亚,便是一架改装过的波音747SP喷气客机。它搭载的FORCAST望远镜的观测波段,覆盖5-8微米,非常适合寻找6 微米波段有没有水分子。

2018年8月,当时还在夏威夷大学攻读博士学位的Casey Honniball及其合作者们用索菲亚搭载的FORCAST红外望远镜,对月球正面光照区-月球南半球高纬度的克拉维斯撞击坑一带进行了观测。结果天随人愿,他们在那里的辐射光谱里确实发现了6微米波段的辐射信号,说明确实存在水分子。

比撒哈拉沙漠干100倍,每立方米含水量约等于一瓶矿泉水

在阳光照射的月表,水分子保留下来来之不易。此次的探测数据显示,水被“困在”分布在月球表面的土壤中,浓度为百万分之100至400,相当于每千克月壤中含有100-412毫升水。Honniball指出,这比撒哈拉沙漠干燥100倍,但需要更多工作才能验证水含量,因为这一估值是基于月球表面的一个时间、一个地点的一次观察结果得出的。

更令人着迷的是,这些水分子是如何保留下来的。

“有一种设想认为,可能是携带水的彗星,从距离太阳很远的地方撞击月球,将彗星上的水以某种形式束缚在了月球上;但也有可能是太阳风中的氢和月球表面的氧反应后,形成羟基,进而与氢离子结合形成水分子。”周礼勇说,含水的彗星等撞击月球表面产生的能量熔化月球表面的岩石和土壤,当熔化物迅速冷却成玻璃体时,彗星带来的水就会被封入其中,可以在月球表面严苛的环境中长期存在。

“还有一种可能,就是水是月球原生的。”周礼勇表示,现在主流的观点认为月球的形成过程没有水,在远离太阳2-3个天文单位之外,温度低到雪线以下,水才会以固态形式参与行星的形成过程,进而保留在行星之中。地球、月球距离太阳只有一个天文单位,按理说不会有水,因而地球、月球上水的来源迄今仍然是科学家研究的重要问题。月球本身是否含有“与生俱来”的水,这个问题与月球的起源及经历的地质演化密切相关。

阳光照射的月表,也存在水,是否可以据此推算出月表的总水量?当Honniball满月球找水时,科罗拉多大学博尔德分校的Paul Hayne等研究者也在探索水分子在月球的另一处藏身点——位于月球极点永久阴影区的环形山。在这些地方,温度永远不会高于-163摄氏度,为水冰的存在提供了条件。

2009年10月,NASA的月球陨石坑观测和传感卫星(LCROSS)探测器部分撞击月球南极附近的阴影区,在撞击羽流中探测到了冰的证据,从而证实阴影区存在冰。

Paul Hayne等研究者计算了永久阴影区的面积,它们大约在40000平方千米左右,60%位于月球南极。他们认为,这些区域具有捕获水的能力,也就是说,这4万平方千米的月球表面都可能存在水分子。如果这些区域充满冰冻,那么冰的总量相当于几十亿公斤的水,但究竟有多少冰,还是一个未知数。

想开发利用得弄清分布、储存结构等奥秘

“对于探索月球的人类来说,水是一种非常珍贵的资源。假如宇航员需要在太空驻留半个月甚至更久,就 可以不用耗费巨资从地球上带水而就地取材,供宇航员使用。此外,随着人类深空探测的脚步加快,前往太空途中,就需要建立中转站,水能够裂解成氢气和氧气,成为火箭燃料的原料,也可满足宇航员呼吸使用。如果月球有充足的水,就可以作为人类深空探测的落脚点。”提及应用前景,南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇,对未来充满期待。

有数据显示,现在从地球向月球发射一升瓶装水的成本为3.5万美元,如果能开发月球的水资源,那将极大降低探月成本。

不过,没有大气层保护,月表太阳照射面的水源是否可以利用?“这还需要弄清楚水在月表的分布范围、埋藏的深度,是否能长期保存等等。”周礼勇认为,月表水是否能利用,该怎样利用,需要做更多检测,例如水含量是否足够高,在哪些地区富集,是否能达到开采的级别,水在月表储存的机制是什么,需要用什么样的技术才能把水有效地收集起来。

“这些发现确实令人兴奋,很有研究和应用的前景,但成本目前还无法预料。”周礼勇说。

前不久,美国航天局宣布与Intuitive Machines公司签署了一份4700万的合同,在2023年将探冰钻头运送到月球。月球表面究竟有多少水可以供给人类使用?现在还无法确定。(记者 金凤)

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