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月球之水,月球上有水吗
发布时间:2020-01-20 06:16
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这一直接后果就是在月球上建立长期甚至永久基地的可能性变得渺茫。因为水是一种非常高效、易于使用和储存的氢、氧载体,它可以维持人类的日常需要,用来生产火箭的推进剂,为地球和月球之间的运输系统提供燃料。试想在月球上工作了好多天的航天员无法洗个澡是什么样的情形?月球上没有水,要建设和运行月球基地就必须从地球上运水,这个成本实在太高昂了。

作者:郑永春,首届香江学者,国家天文台青年创新促进会负责人

月球勘测轨道飞行器携带的Diviner仪器在美宇航局LCROSS探测器及其“半人马座”火箭级撞击月球约90秒钟后,以50英里(约合80公里)的高度从撞击地点掠过,拍摄了两次撞击的红外图像。LCROSS任务旨在通过发射探测器撞击月表,在月球南极永久阴影带寻找水冰的痕迹。

事实上,近半个世纪前天文学家就开始争论,月球上可能有冰。但直到20世纪90年代初才有了些许眉目,而它缘起的地点则是出人意料的比月球环境更为严酷的水星。当时天文学家使用雷达探测水星的地貌,接收到了来自水星两极环形山中永久阴影区的回波。从回波的特性来看那里似乎存在一个厚冰层。

一、月球上没有任何形式的水?

月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思·沃森等在1961年提出的。他们认为,月球极地一些撞击坑底部可能处于太阳照射不到的永久阴影区,表层和次表层温度常年维持在40K左右(-223℃~-233℃)。原始月球脱气作用产生的水以及彗星撞击月球携带至月表的水等来源的水,在这样的低温条件下逃逸进入太空的概率很小,很可能会以水冰的形式长期保存下来。他们推测月球两极撞击坑底部可能存在大量水冰。

在月球水冰设想提出后的30余年间,许多科学家进行了多方面的探索,但无论是早期的绕月探测器、不载人的着陆探测器以及阿波罗载人登月的实地考察,还是月球样品和月球陨石在实验室内的研究,都没有找到月球有水的确凿证据。因此大多数科学家认为,月球表面不存在任何形式的水,并提出四个方面的证据来支持他们的观点:

  • 证据一,月球岩石主要是岩浆冷却形成的各类火成岩,没有发现与水作用有关的沉积岩(包括砂岩、页岩和石灰岩等);
  • 证据二,月球的主要矿物是常见的无水矿物,即辉石、斜长石、橄榄石、钛铁矿、尖晶石等,没有发现任何原生或次生的含水矿物,如粘土、云母、石膏等;
  • 证据三,在月球上没有发现大气、水体和生物等能够证明水存在的痕迹;
  • 证据四,月球表面在数十亿年间经历了无数小天体的频繁撞击,月球即便曾经有水,撞击过程产生的高温熔融也早已使这些水逃逸。加上月球没有大气层、引力束缚小等因素,使得月球表面很难保有水的存在。

图片 1二、九十年代两次找水

上周拍摄的凯布斯坑温度图显示了LCROSS探测器撞击的热量信号。LCROSS探测器在撞向月球表面前几分钟,也根据“半人马座”火箭级撞击溅起的羽状尘埃物质,对凯布斯坑进行了观测。但是,两次撞击是否产生足够多的月球尘埃物质还有待研究。科学家预测,撞击凯布斯坑可以激起最高6.2英里(约合10公里)的尘埃物质,这样一来,尘埃物质可以被太阳照亮,地面观测就能看得见。

原标题:【你问我答】月球上有水吗

美国发现阿波罗月球样品中存在水

虽然前苏联科学家早在1978年就在月球24号的样品中发现存在0.1%的水,但美国人根本不认可这一结果,他们认为所有的阿波罗样品都不含水,前苏联人发现的水是因样品保存不当导致的,其理由当然是阿波罗登月采集的月球样品中没有发现水。

然而,随着精密分析技术的提高,阿波罗样品不含水的结论在近期被推翻了。华盛顿卡内基学院的埃里克•霍利研发了二次离子质谱分析技术,能够探测样本中非常微量的元素,他们利用该技术成功发现地球熔融地幔中含有水。美国布朗大学的阿尔贝托·萨尔曾参与该研究,希望将该技术应用在月球样品研究上,他用三年时间才说服NASA提供研究经费,并从阿波罗样品中挑选了约40颗月球火山玻璃的珍贵样品。萨尔的研究小组并没有直接发现水,而是分析氢的含量,分析结果与地球地幔样品中氢和水的分析结果相似,这说明月球内部可能与地球的地幔一样存在大量的水。这一研究成果2008年发表在《自然》杂志上,在阿波罗火山玻璃中发现的氢含量经计算出的水含量与前苏联科学家1978年宣布的大致相当。

图片 2印度月船一号的微型雷达探测

由于目前发现月球上存在水的地区基本上都位于南北极的永久阴影区内,这些地区由于地处高纬度,太阳每次基本上在地平线上划过,光线不能照射到撞击坑的底部,因此,可见光相机和其它需要依赖太阳光反射或激发的仪器都不能看到这些撞击坑底部的景象。而雷达探测不依赖光照,可以对月球两极永久阴影区进行成像,可望获得撞击坑底部的地形和水冰是否存在的确凿证据。

美国给印度月船一号探测器提供了多套科学仪器,其中就包括一台微型的合成孔径雷达。由于克莱门汀号的雷达探测结果受到争议,这次月船一号上的微型雷达在设计时采用了与克莱门汀号雷达不同的工作方式,即发射左旋极化信号,接收水平极化和垂直极化的反射信号,这种工作方式可以保留反射信号的全部信息,从而明确判断回波异常到底是由水冰-月壤混合物引起的,还是其它因素引起的。

根据2010年3月在休斯敦召开的第41届月球与行星科学会议上公布的结果,微型雷达在月球北极发现了40多个大小不等(直径大约1.6千米~15千米)的撞击坑具有异常的回波特征。其中,约30个撞击坑只有坑内出现回波异常,坑环和外围都没有出现回波异常,推测是由于坑内含有水冰引起的;另有11个撞击坑的坑内和外围都出现回波异常,推测是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南极也发现了类似的现象。这说明,月球极区的这些撞击坑内很可能存在水冰。据初步估算,月球北极的30余个撞击坑内大约有6亿吨水冰。而且,未来可能选址作为月球基地的南极休梅克撞击坑内,也发现了水冰。

图片 3印度月船一号的光谱探测

光谱探测利用的是月船一号上搭载的另一台科学仪器——由美国负责研制的月球矿物制图仪。2009年10月,美国布朗大学行星地质学家卡尔·皮埃特斯等在《科学》杂志上发表其研究成果,通过对月球矿物制图仪获得的近红外光谱进行仔细研究,他们发现几乎在月球所有纬度上都存在羟基(由一个氢原子和一个氧原子组成),或可能是水的光谱信号。

图片 4美国月球勘测轨道器的中子探测

与前面提到的月球勘探者号的中子探测原理相似,美国宇航局于2009年6月19日发射的月球勘测轨道器上也搭载了一台低能中子探测仪,通过记录中子计数探测氢的含量,并进而证明水的存在。中子探测仪在月球撞击坑内的永久阴影区发现了丰富的氢(氢很有可能以水的形式存在)。

由于中子探测仪的探测深度为月球表层数米厚的月壤,因此这些"水"可能是以冰粒形式与月壤混合,即前面提到的"脏冰"。但令人费解的是,在温度较高、日照强烈的三个撞击坑外围地区,也发现了丰富的氢。

图片 5LCROSS撞月探水

月球坑观测和传感卫星由牧羊航天器和半人马座火箭两部分组成,2009年10月9日,约2.2吨重的半人马座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞击月球南极的凯布斯坑,牧羊航天器上的科学仪器有4分钟时间探测撞击溅射物,并把探测数据传回地面控制中心。遗憾的是,LCROSS的撞击规模和亮度都远低于预计,地面和其它空间探测器上的观测设备甚至没能观测到明显的撞击效果,与撞击前的高调宣传形成很大的反差。

2010年3月,美国宇航局专门召开新闻发布会,宣布LCROSS的撞击成功地证实月球上确实有水。据报道,半人马座火箭撞击产生的溅射物包括两部分,一部分由密度较小的蒸汽和粉尘组成,在撞击后腾空而起;另一部分由密度较大的岩石块和颗粒组成,撞击后向四周抛射。在这次不甚成功的撞击后,科学家团队顶着压力,几乎夜以继日地分析牧羊航天器传回的大量数据。研究重点集中在光谱仪的探测数据,这是月球上存在水的重要证据。

科学家们首先排除了半人马座火箭污染月表的可能性,接着他们用水和其它物质已知的近红外光谱信号,同LCROSS近红外光谱仪在撞击中获得的光谱信号进行对比,发现只有月壤与水的混合光谱,与LCROSS获得的光谱相似。而月壤与任何其它含羟基化合物的混合光谱,都无法与LCROSS的观测结果相匹配。

图片 6四、如何解决月球基地的供水问题

由于遥感探测手段的限制,目前探测月球是否存在水冰只能采用间接方式,还无法直接测量水分子的存在,因此,月球上存在水的问题还缺乏直接的证据。例如,中子探测仪发现月球上特别是极区的氢含量很高,但氢可能以其它化合物的形式存在,不一定证明有水;雷达探测主要根据月球表面对雷达波的反射来推测月壤内的物质,探测结果发现月球上存在类似冰块或冰层的反射体,但这些反射体也可能是别的物质,不一定是水冰;光谱探测发现月球上的羟基含量很高,但羟基也可能是以其它化合物的形式存在,不一定是水。这就使得不同科学家对同一探测结果有两种甚至几种不同的解释,从而引发对月球是否确实有水的争议。

但此次多个探测器采用不同探测手段获得的探测结果,一致支持月球有水的解释。特别是光谱探测的结果发现月球上有丰富的羟基存在,而且地面的模拟实验研究,也支持只有月壤与水的混合才能符合光谱探测结果,这使得月球有水得到很多专家的认可。而且,与以前的预测相比,水的分布范围可能更广泛。

如上所述,目前认为月球上水的存在形式主要有三种。第一种是与矿物结合的结晶水,这种结合非常牢固,只有月壤被加热到几百摄氏度的时候才能释放出来,月球白天温度100多摄氏度还无法使这些水逃逸,这也就解释了为什么在月球的中低纬度地区和太阳光照射地区仍然能探测到水的原因;第二种是与月壤以冰尘混合物形式存在的"脏冰",这种冰只能存在于温度极低的永久阴影区内,含量约为0.1%,很难收集和利用,对未来月球基地没有利用价值;第三种就是以冰块或冰层形式埋藏在月壤内的水冰。

就目前的技术水平而言,月球水冰的发现只有科学上的意义,还不具备开发利用前景。首先,月球撞击坑内一吨月壤的含水量还不到1千克,要把这样微量的水从月壤中搜集起来再利用,代价是很高昂的。其次,这些撞击坑的深度达两三千米,坑内一片漆黑,温度低至-240℃,而坑外太阳光能照射到的地区,温度又高达110℃~130℃,任何仪器和宇航员在这样的温度条件下都无法开展工作。

在发现月球上存在水的诸多证据之后,接下来科学家还需要回答一系列问题,如月球上的水是从哪里来的?是否来源于太阳风喷射到月球的连续质子流?或是彗星和小行星的撞击带去的?这些水在月球上是怎样移动的?在月球上的水中,被矿物吸收的结晶水占多大比例,与月壤以"脏冰"形式存在的水又占多大比例?最可能有利用价值的冰块或冰层分布在哪里?等等。这些问题还需要进一步研究才有可能得以解决。

据美国太空网10月13日报道,美宇航局月球勘测轨道飞行器(LRO)日前向地面控制中心发回了LCROSS探测器上周连续两次撞击月球表面的图像和温度图。

作者:谢懿

按:一直以来,月球上有没有水及其赋存方式等问题在学术界争论不休,最近的一些探测与研究结果明显支持了月球上存在水的观点:2008年,科学家在阿波罗宇航员登月采集的月球火山玻璃中检测到水。2009年11月,美国宇航局宣布,与月球勘测轨道器一同发射的月球坑观测和传感卫星撞击月球获得重要成果,撞击过程的分析数据表明,月球上存在水。2010年3月,科学家在含有磷灰石的月球岩石中检测到水。2010年3月1日,NASA宣布,由其负责研制、搭载在印度月船一号探测器上的一台微型雷达探测取得重要进展,获得了月球存在水冰的证据。

美国月球勘测轨道飞行器(LRO)拍摄的LCROSS探测器两次撞击月球后的图像和温度图。

月球两极环形山永久阴影区中是否存在水冰的决定性证据,来自美国主动撞击月球的“月球环形山观测和传感卫星”。它由两部分组成。其中占据绝大部分的是“宇宙神”5型火箭的二级火箭“半人马座”,另一部分则是“牧羊人”探测器。

迄今为止,使用地面望远镜和在轨哈勃太空望远镜的天文学家们尚未报告看到喷射而出的羽状物质,仅表示在确定结果之前还需要更多时间。科学家希望可以从太空和地面扫描部分羽状尘埃物质,以确定其中是否存在水冰。长期以来,科学家便认为月球南极地下隐藏有含氢物质,要是最终能确定水冰的存在,这对美宇航局而言无疑是个好消息,可以为未来载人探月任务提供潜在资源。

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美国克莱门汀号的雷达探测

1994年1月25日,美国发射克莱门汀号月球探测器,该探测器上搭载了一台双基地雷达(也叫双站雷达或收发分置雷达)。这台雷达的探测原理是从绕月卫星向月球表面发射电磁波信号,在地球上接收反射回来的电磁波,根据回波信号可以推断月球表面物质的相关信息。

图片 7美国月球勘探者号的中子探测

1998年1月7日美国发射了月球勘探者号探测器,其搭载的中子探测仪可以测量月球表面氢的含量。由于氢有可能是以水分子形式存在,所以氢信号的强弱可以间接反映水含量的多少。探测结果显示,在月球两极地区存在丰富的氢,而且北极的氢信号比南极稍强,据此推测月球极区可能含有丰富的水冰。通过分析探测数据认为,这些区域月壤中的水冰含量约为0.1%~0.3%,可能是以冰粒和月壤混合物的形式存在,分布深度约为月表40厘米深处,两极水冰总有效面积约为1850平方千米。有专家估算,月球极区水冰的总储量约66亿吨。

相对雷达探测,中子探测结果引起的争论相对要小得多,它似乎为水冰的存在提供了强有力的证据。但中子探测反映的只是两极永久阴影区存在大量氢,而这些氢是以水冰还是别的物质形式存在,又成为各方争论的焦点。

图片 8三、发现月球有水

美国东部时间10月9日早晨7时31分(格林尼治时间11时31分),2.2吨重的“半人马座”火箭级撞向一个名为“凯布斯”的陨石坑。4分钟以后,“牧羊人”航天器再次给凯布斯坑以重击。撞击结束以后,Diviner从撞击点上空连续飞行8圈,以大约两小时的间隔拍摄撞击前后的温度图。Diviner能以红外光谱绘制月球表面温度图。

1998年,美国“月球勘探者”探测器专门携带了中子谱仪,来测量宇宙线轰击月球表面所产生的中子的能量。如果这些中子在飞向探测器的过程中与月球土壤上层的氢原子发生碰撞的话,它们的速度就会大为降低。通过测量快中子和慢中子的比例,它令人信服地证明月球的两极地区富含氢原子,而这些氢原子极有可能来自混合在月球土壤中的冰。

上个月,科学家宣布了月球存在少量水的确凿证据,它们以分子形式附着于月球土壤之上。今年6月,美宇航局“一箭双星”,同时发射了月球勘测轨道飞行器和LCROSS(月球陨坑观测和遥感卫星)。LCROSS探测任务耗资7900万美元。Diviner仪器的数据曾被用来帮助确定将凯布斯坑作为LCROSS的最终撞击地点,以采集永久阴影带极冷地区的样本。永久阴影带可以是水冰和其他冰冻挥发物的有效贮存地。(孝文)

受这一“利好”消息的影响,1994年科学家在美国“克莱芒蒂娜”月球轨道探测器上安装了一个雷达。当它经过月球南极上空的时候,反射回来的信号也“预示”有冰存在的痕迹。但很多人对此存有疑问。

与地球近23.5°的黄赤交角不同,月球的赤道与黄道的交角只有大约1.5°。自转轴几乎和黄道面垂直的构形,使得月球两极的一些地区可能会处于永久的黑暗之中。日本“月亮女神”探测器发现,月球两极确实存在永久阴影区。那里的温度保持在大约50开(-223℃),被形象地称为“低温陷阱”。其结果是,由陨星带到月球上的水冰就会在低温陷阱中积累并被永久保存。

猜一猜,什么地方有“海”却没有水?月球。从雨海、静海、澄海到丰富海、云海,从阿丽阿黛溪再到虹湾、风暴洋,月球上到处都是和水有关的地名。但20世纪美国“阿波罗计划”采集回来的月岩却异常干燥,比地球上最干燥的沙漠还有过之而无不及。因此,除了地名之外月球和水似乎再无瓜葛。

此后,印度“月船1号”探测器上的“月球矿物探测器”也在月球上发现了水分子。虽然这些水仅仅存在于月球表面最上层的1~2毫米之中,但它的分布却十分广泛,且月面纬度越高,水分子的信号越强。同时,这些信号的强弱还会随着昼夜周期性地变化。

关键词:月球 月球勘测返回搜狐,查看更多

近年来,月球迎来了新一轮的探测热潮。美国“月球勘测轨道飞行器”发现月球极地环形山永久阴影区的温度仅有-240℃。这一温度不仅可以储存水冰或者氢达数十亿年,还使得这些永久阴影区成为太阳系中最寒冷的地方。它还在月球南极附近的环形山中探测到了水的信号,且信号比预期的要强。

2005年8月15日,我国首个月球仪面世了。说起月球,你可知道月球上到底有没有水呢?

2009年10月9日,“半人马座”火箭以超过2.4千米/秒的速度撞上了月球南极的卡比奥环形山。“牧羊人”探测器对此进行了大约4分钟的观测。当原子和分子被激发的时候,它们就会释放出特定波长的辐射,这些辐射能被分光计探测到。“牧羊人”探测上的近红外、可见光和紫外分光计对撞击抛射物进行了探测。红外分光计探测到了水的信号,紫外分光计则探测到了氢氧根。这次探测共发现了95升水。这一数字仅仅是环形山中总储水量的下限,进一步的分析表明那里还有更多的水冰。