月球上真的有水

张唯诚

陨石坑有水的理论研究

普遍的观点认为，月球陨石坑中存在水，它们来自撞击月面的大大小小的彗星。是的，在太阳系形成后的一段时间里，彗星频繁地撞击过地球和月球，为地球带来了大量的水，人们认为，它们同样也为月球带去了水。研究显示，在太阳系形成后的大约10 亿年里，彗星撞击尤为密集。

但月球和地球的环境不同，水很难保存在月球上。月昼的温度极高，水很快就会沸腾，并挥发掉。而月球的引力场又太弱，只有地球的六分之一，不足以束缚住向太空逃逸的水蒸气。因此科学家们认为，月球上如果存在水的话，只能分布在阴暗的陨石坑里。陨石坑内极为寒冷，温度为-240℃，这样的低温足以维持水冰的存在。这意味着在一些月球陨石坑里，很可能有以水冰形式存在的水。这就是在月球上寻水十分重视陨石坑的原因。

说月球上有水，人们还会想到月球的起源。目前，最能说明月球起源的理论是“大碰撞说”。这个理论认为，月球形成于地球和一颗类似火星大小的行星的碰撞。那次碰撞极其剧烈，足以使地球的相当一部分气化。在那次碰撞中，地球的一部分物质被抛入太空，它们和碰撞天体变成无数碎片环绕在地球的周围，一段时间后，这些碎片聚合形成了月球。

科学家们模拟了这个过程。他们曾经认为，碰撞后地球上被撞入太空中的水都散失在了太空中。然而研究显示，有些水也可以封存在月球的内部。在以后的岁月里，这些水又有可能被太空天体撞击出来，因为剧烈的撞击经常将月球内部的物质带出来。关于这个假设，你只需要仔细地观察一下月球陨石坑就可以明白。在用望远镜观测月球陨石坑时，你会发现有些陨石坑中存在一个小小的山峰，那就是撞击造成的。

当碰撞发生后，月面被砸出了一个洞，它往往非常深。于是，月球内部的物质便从洞中喷涌出来，越堆越高。冷却后，这些物质便在陨石坑中形成了一座山。可以想见，如果月球内部含有水，水也会被这种运动带到月面上，隐藏在这样的山上，研究这样的山峰或许能够找到水。

事实上，科学家们确实用月球探测器探测了月球上的布利奥陨石坑，这个陨石坑是以17 世纪法国天文学家布利奥的名字命名的。它位于月球赤道附近，直径61 千米，中心有一座山峰。科学家们发现这座山峰的月岩中含有氢氧基，其含量足以和水的存在产生密切的联系，表明这个陨石坑中很有可能存在着来自月球深处的水。

陨石坑有水的模拟实验

既然撞击能使月球内部的物质喷涌出来，那么火山爆发呢？美国科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家安德鲁·威尔科斯基和他的同事们想到了这样的问题。这些科学家知道，在月球上，火山活动的证据也是很容易找到的。

在月明的夜晚，只要你抬头望月，就能很容易地找到火山活动的证据：月面上有一些稍显暗淡的区域，这些区域被人们称为“月海”。其实那并不是海，而是广阔的火山岩平原。从42 亿年前至大约10 亿年前，月球上存在着大规模的火山活动，且大多数发生在该时间段的前20 亿年内。火山喷发将大量火山熔岩喷出月面，它们流向低洼地区，冷却后便形成了月海。

然而，噴发并不仅仅带来了大量熔岩，也喷出了大量火山气体云。这些火山气体云中包含一氧化碳和水蒸气，它们弥漫在月球上空，在月球周围形成了一个脆弱的大气层。科学家们认为，这个大气层发挥了将水蒸气运送到月球两极的作用。然而，这个大气层不久后便被太阳风吹散了，存在时间很短暂。

安德鲁·威尔科斯基和他的同事们推测，大气层中的水蒸气并没有全部被吹散掉，它们中的一部分被输送到了两极地区，就像霜一样沉降在冰冷的陨石坑中，为陨石坑带来了水。为此，这些科学家使用计算机模拟的方法去验证这一过程，他们以每 22000 年喷发一次的频率对月球大规模火山喷发的状况进行了建模。据此研究火山气体逃逸到太空的速度，并将这个速度与火山气体在月面凝结、冻结和沉降的速度进行了比较。

经过建模发现，随着时间的推移，陨石坑中的一些霜冻会在阳光下升华，在此后数十亿年的时间里，一些水冰还会转化成蒸汽逃逸到太空中，但大部分仍因寒冷的陨石坑而被困在了两极地区，以至于可以以水冰的形式存在数十亿年。

模拟表明，每次火山喷发都引发了新大气层的形成，这种新大气层可以持续大约2500 年。大约2 万年后，下一次喷发又会重新到来。科学家们认为，大气层为水建立了一个大气输送系统。这个系统使水分子绕月球运行，同时也使它们更难逃逸到太空中去。2022 年5 月，这些科学家将他们的研究成果发表在了《行星科学杂志》上。

陨石坑有水的实证

模拟的结果和理论的研究替代不了在月球陨石坑中找水的实际行动。人们究竟有没有在月球陨石坑中找到水呢？回答是肯定的。早在20 世纪中叶，科学家们就尝试在月球陨石坑中找水了。到了2009 年，这样的科学考察活动达到了高潮，并且取得了成效。这个过程首先得从一个名为“克莱门汀”的月球探测器说起。

“克莱门汀”月球探测器于1994 年1 月25 日发射升空，它在绕月飞行的时候向月球南极附近的陨石坑里发射了无线电波，反射后的电波被地球上的天线所接收。科学家们分析了电波后发现，这些反射波似乎来自含有水冰的物质，表明在月球陨石坑中很可能有水存在，尤其是位于月球两极的陨石坑。那些陨石坑极冷，有些很深，阳光也照不进去，所以能起到收集水和其他易挥发物质的作用，探索这样的陨石坑很有可能找到水。为此，人们想到撞月，即用人造物体冲击月面以扬起陨石坑中的尘土，然后近距离地用光谱仪测出其中是否有水分存在。

1998 年，一个名为“月球勘测者”的月球探测器撞击了月球南极的一个陨石坑，然而撞击后并没有出现水的迹象。这存在两种可能的原因：一是撞击产生的水蒸气太少，不足以让仪器侦测到；二是陨石坑里根本没有水。

2009 年10 月9 日，“月球陨石坑观测与传感卫星”在绕月飞行数月后对月球南极附近的一个陨石坑实施了两次撞击。这个陨石坑直径约100 千米，名为“凯布斯陨石坑”。“月球陨石坑观测与传感卫星”由一颗卫星和一枚火箭组成，这两个部分分别撞击了月面，它的卫星部分观测了第一次撞击。另一个名为“月球勘测轨道器”的月球探测器利用自身的仪器观测了这两次撞击。

一年后，科学家们发表了他们的研究成果。他们认为，两次撞击共扬起了150 千克以上的水冰，水的含量在撞击点的土壤中为5.6%，这个结果证明了月球陨石坑中有水的存在，为人类在月球上找水的探测活动增添了新的信心。

月球寻水意义重大

2009 年的“撞月”为月球陨石坑寻水行动画上了一个圆满的句号，但水的来源问题并没有得到完全的解决。长期以来，人们普遍将月球陨石坑中水的来源锁定在彗星的撞击上。而新的研究则表明，撞击之外的火山喷发也可以成为月球水的重要来源，火山喷发造成的短暂存在的大气层有可能将水蒸气输送到月球两极的陨石坑中。水蒸气在陨石坑中沉积，从而形成了水冰。这项研究丰富了月球陨石坑中水的来源理论，是月球寻水的重要进步。

月球寻水的意义重大，水不仅可以饮用、灌溉，还可以通过电解产生氧、有效地阻隔宇宙辐射、提取氢以制作燃料。这种燃料除可供月球上使用外，也可以作为返程燃料为宇航员返回地球提供能源保障。现在，新一轮针对月球的探索竞争已经展开，许多国家都有前往月球或者重返月球的计划，我国的月球探测工程也取得了重大成果。在月球上寻水已不仅仅是一种科学探索，它的成败与下一步人类登陆月球，并在月球上建设基地密切相关。

选自《科学24小时》