本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），原标题《首次证实，那里有水！》，作者：Takeko，题图来自：视觉中国
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在很长一段时间里，月球一直被认为是一片极度干燥的荒原。对阿波罗任务带回的月球样本的最初分析显示，那里似乎只有微量的水。而这些微量的踪迹甚至也被怀疑只是来自地球上的污染。
阿波罗11号拍下的地球。| 图片来源：NASA/JSC
但在过去数十年间，对月球样本的重新分析，还有来自更多航天任务的观测以及理论建模都在不断表明，最初这种评估是错误的。科学家在月岩的矿物内部发现了“水”；在靠近月球两极永久阴影区的撞击坑中，研究人员也发现水冰与月球尘埃颗粒混合的迹象；早在十多年前，就有研究发现了月球表面水分子存在的一点蛛丝马迹……
然而很多时候，“水”这个词可能不仅特指“分子水”（也就是由两个氢和一个氧组成的H2O），还有氢（H）和羟基（OH）。虽然H和OH也可以结合形成分子水，但了解这些化合物最初以什么形式存在仍然十分关键。因为在月球表面的环境中，这将影响着这些物质的稳定性和位置，也能反映出人类想要提取它们所需的努力。比如，如果是以水冰的形式存在的分子水，就会比“锁”在岩石中的羟基更容易被提取出来。
科学家一直不确定的是，那些“水”究竟有多少是以分子水的形式存在的。近日发表于《自然·天文学》上的两项新研究提供了一些答案。尤其是，其中一项研究报道，SOFIA（平流层红外天文台）探测到了水分子独特的红外信号，这代表着，人类首次在月球阳光照射的区域明确探测到了分子水的存在。这也说明，月球上的水不仅存在于永久阴影区，月球的其他地方也能找到水的踪迹。
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在月球表面的研究中，发现“水”的一种重要方法是红外探测。不少航天器携带的仪器都探测过来自月球的反射波谱。它们会探测来自月球表面的光，测量它在特定波长下反射的能量。这些数据则可以反映出表面的组成。由于存在“水”，月球表面会吸收波长3μm（0.000003m）的光。然而，这个特征并不能将分子水与羟基化合物区分开来。
这项新研究的数据来自SOFIA，它实际上是一架飞行在4万多英尺高空的波音747SP飞机。改装后的飞机携带着2.5米的天文望远镜，专门以一种“红外视野”观测并研究宇宙。
“索菲雅”（SOFIA）。| 图片来源：NASA/Jim Ross
在2018年8月的一次航行中，SOFIA探测到了来自月球克拉维乌斯环形山（Clavius）附近波长6μm的红外光。这种波长非常独特，它是由阳光加热下的水分子振动产生的，而不会由其他含有羟基的化合物产生。
研究人员将赤道附近的月海区域作为参考基线（那里被认为几乎没有水），通过两者的数据，团队计算出克拉维乌斯环形山附近水的丰度大约在100ppm到400ppm（parts per milliom）。
克拉维乌斯环形山以及参考区域在月球上的大致位置。| 图片来源：Honniball, C. I. et al. / Nature Astronomy
研究认为，这些水分子并非像永久阴影区中的水那样处于水冰形态，它们也并非液态。相反，观测到的水很有可能被锁在一种“玻璃”内，这些“玻璃”是由小型陨石撞击并将含水的风化层颗粒熔化而形成的。或者，它们可能存在于晶界之间的空隙中——如果是这样，提取它们可能将更加容易。
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与此同时，同期发表的另一篇论文则使用了新的理论模型，基于温度数据和来自月球勘测轨道飞行器（LRO）的高分辨率图像，更精确地预测了月球哪里有合适的条件允许水冰存在。
先前的研究已经表明，在两极附近的永久阴影区存在着几千米宽的“冷阱”（cold trap），那里可能存在水冰。这项新研究发现，还有大量的小型冷阱存在，其条件允许水冰聚积，规模在厘米或分米尺度。事实上，这种小型冷阱在数量上比大型冷阱要多得多。
团队计算出，月球表面约0.1%的区域足够冷，足以将水以冰的形式存住，而这些有冰的冷阱大部分位于高纬度地区（>80°），非常靠近月球南极。这一结果同样缩小了未来月球探索区域的选择范围，提高人们找到水冰的可能性。
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这些最新的发现进一步加深了科学家对月球水的历史的认识。在科学家眼中，月球的水一直是个有趣的问题。水的分布和形式能够帮助解决一些深刻的问题。例如，水和其他挥发性物质是如何到达太阳系内部的？它是在那里产生的，还是被小行星或陨石带到那里的？更多地了解某些特定化合物的信息，可以帮助我们找出这些问题的答案。
了解有多少水存在及其存在的位置，对于计划人类登月和其他太空计划同样非常有用。行星科学研究学者James Mortimer与Mahesh Anand介绍，水是一种维持生命的重要资源，它也可以被分解成不同的部分，用于其他用途。比如，氧可以补充空气供应，或者被用来在月球表面进行简单的化学反应，从而从月壤中提取其他有用的资源。
他们表示，水也能以液态氢和液态氧的形式成为火箭燃料。这意味着，月球或许有望成为深入太阳系或更遥远的太空任务的燃料补给基地。月球的低重力环境与缺乏大气的情况说明，从那里发射所需的燃料比从地球上发射要少。因此，当太空机构谈及月球的就地资源利用时，水一直是计划的关键和核心。这也使得两项新的研究格外令人兴奋。
参考来源：
https://theconversation.com/water-on-the-moon-research-unveils-its-type-and-abundance-boosting-exploration-plans-148669
https://www.sciencenews.org/article/water-moon-sun-sofia-telescope
https://www.nature.com/articles/s41550-020-01222-x
https://www.nature.com/articles/s41550-020-01222-x
https://www.sciencenews.org/article/damp-moon-water-found-inside-and-out
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko