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月球寻水从“月海”到水冰

原标题:月球寻水 从“月海”到水冰

一直以来,人们都在致力于寻找月球上水存在的证据。近年来,随着探测设备和数据分析水平的提高,月球寻水的收获颇丰。日前,科学家首次直接观察到月球表面存在水冰的确切证据,这一发现让人们对于如何更好地利用月球资源以及建立月球基地产生了更多期待。

缘起——人类对月球存在水的美好憧憬

月球作为我们的近邻,也是自古以来被人类观察最多的星球,人类一直寄希望于月球上有水的存在。很早以前的古希腊人,就在通过肉眼观察月球表面时,想象着那些看起来暗一些的区域可能是海洋,而亮一些的区域则是陆地。

当17世纪初望远镜发明以后,天文学家便不再仅仅用肉眼观察星空,而是可以借助望远镜对夜空的天体进行更为细致的观察。哈里奥特和伽利略等人在用望远镜观察我们的近邻月球时,发现月球表面有一些大小不等的暗色区域,按照当时人类对于地球的认识,他们猜测那些反光弱的暗区是月球上的海洋,就用拉丁文“maria”(海)来称呼。而同时把相对比较光亮的地方,称之为月陆。

我们知道,由于潮汐锁定,月球始终只有一面对着我们,这一面中约有三分之一是早期天文学家眼中的月海。1651年,来自意大利耶稣教会的两位天文学家绘制了较为详细的月面图并命名了许多的月貌特征,其中不仅有月海,还有小的月湖、月湾和月沼,足以说明当时天文学家对于月球上有水的无限期待。虽然现在我们知道在月球表面存在液态水的概率微乎其微,更别说江河湖海了,那些看起来稍显暗淡的区域其实是月球表面地势较低的平原,但三百多年前命名的那些月海已经成为一种习惯称呼,绝大多数依然被沿用至今。像我们国家发射的嫦娥三号月球探测器就着陆在“雨海”之中,但是“玉兔号”月球车睁开眼睛看到的只有岩石和土壤,她并没有畅游在海中,也没有被任何雨水淋到。

历史——对于月球是否有水存在的科学探索

如果说月海的命名是人们对于“月球表面跟地球一样充满液态水”的美好幻想的话,那么1961年加州理工大学沃森等人提出的“水冰可能长时间存在于月球永久阴影区域”的观点,则更多的是基于科学认知和分析计算后的合理推测。

美国“阿波罗”登月宇航员带回了大量月球岩石和土壤标本,科学家从中检测到了微量水的痕迹,但经过测定其中氧的同位素比率与地球上氧的同位素比率相近,科学家无法加以区分,所以当时绝大多数观点都认为这些水的痕迹是被地球污染的结果。

1976年,前苏联“月球24号”探测器挖取了月表下2米深处的月球样品,几经辗转顺利带回了位于莫斯科的实验室。随后三位苏联科学家发表了一篇俄文论文,宣布在这170克样品中发现了0.1%含量的水。太阳平台GG他们声称虽然在检测过程中采取了一切可能的措施避免实验室中水蒸气对于样品的污染,但是依然不敢担保这一结果绝对没有遭到任何污染。这一结果在当时没能引起国际同行的足够重视,后因没有其他后续论文引用和跟进研究而石沉大海。

经历了一段沉寂期后,上世纪90年代开始,第二次探月高潮在多个国家的共同发力下到来,而月球上水存在的面纱也被逐渐揭开。

1994年发射的“克莱门汀号”月球探测器,在对月球南极阴影区进行雷达探测时,接收到的部分雷达回波的强度和极化性质与干燥的岩石土壤回波性质不同,呈现出与挥发性冰类似的特征,当然也有可能是甲烷或者其他固态挥发物。这一发表在《科学》杂志上的结果并没有定论。

与雷达探测不同,1998年发射的“月球勘探者号”探测器,则携带了可以测量氢含量的中子探测仪,试图从另一个角度探寻水的痕迹。它也的确在月球两极地区,尤其是北极探测到了较为丰富的氢。当然氢的富集可能是水,亦有可能是其他含氢物质造成的,所以基于这一结果科学家还是无法确切证明水的存在。

十年后,美国又一并发射了“月球勘测轨道器”和“月球坑观测和遥感卫星”,前者对月球整体进行更为细致的研究(包含一个类似“月球勘探者号”的中子探测设备),而后者专门负责撞月找水,各司其职的兄弟俩又有了许多新的发现。其中“月球坑观测和遥感卫星”在撞击南极永久阴影区的一个陨石坑后,通过对撞击过程中大量数据尤其是光谱数据的细致分析,科学家在撞击溅起的蒸汽和粉尘,以及个头较大的碎石颗粒中,都探测到了含有水的特征,从而间接证实月球极区的永久阴影区里确实有水。至于这些水是来自于月表还是月下更深处,它们到底是什么存在形式,当时还无法定论。