月球上居然有水?
2020-10-27 22:01

月球上居然有水?

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

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