實錘了，我們的月球真的是顆「水冰月」！

來自專欄相期邈雲漢1,221 人贊了文章

近日，夏威夷大學的李帥團隊利用光譜數據在月球極區發現了暴露在地表的水冰，這是科學家們首次在月球發現水冰存在的直接證據。這一成果發表於2018年8月20日的《美國科學院院刊》[1]。

「沙漠」月球

地球這顆「藍色彈珠」，是太陽系中唯一一個水之星球，正是這些覆蓋在地表上的珍貴的液態水，幫助地球孕育出了生命。但與地球相隔僅38萬公里的月球，卻完全是另一番光景——這裡一片荒蕪，寸草不生。

月球上有沒有水？幾十年前的人們普遍認為是沒有的。唉，說起來都是離太陽差不多近的星球，但月球就完全沒一點能留得住水的樣子：月球幾乎沒有大氣層和磁場，重力又那麼小，日間溫度還很高；而另一方面，那時候的人們也沒有在月球表面觀測到任何形式的水的跡象，即使阿波羅登月任務帶回的月球岩石樣本中檢測到的少量的水，早期也被認為很可能是受到了地球大氣的污染的結果[2]。

這倒也並不令人驚訝，畢竟內太陽系的幾個岩質大天體在形成不久都經歷了劇烈的小天體撞擊，完全是一個個熔融炙熱的冶煉爐，即使曾經有過水（和其他揮發性物質），也理應早已在極度高溫中散逸殆盡了。

但在那之後，或許因為種種原因，月球上還可能產生新的水呀。甭管它們怎麼來的，最起碼，這些水有沒有可能在月球上保存下來？會在哪裡保存下來呢？

聚焦南北極

或者，我們可以把問題簡化成：月球上哪裡最可能保存水呢？

答案是最冷的、光照最少的地方——月球的南北兩極，更準確的說，是月球南北兩極的永久陰影區（Permanently shaded regions，簡稱PSRs）里。月球的自轉軸幾乎垂直於黃道面（自轉軸傾角只有1.5°），於是南北極一些低洼的地方（比如隕石坑底部）可能會永遠不被太陽光直射到，因此這些地方應該溫度非常低（零下150攝氏度以下）。

如果這些陰影區里原先就有固態的水（水冰）存在，就會一直保存下來，或者氣態形式的水來到了到這些陰影區中時，也會以水冰的形式被永久地封存住——早在1952年，諾貝爾化學獎得主哈羅德·尤里就這麼猜想了[3]。

這個「極區永久陰影區里可能有水冰」的猜想靠不靠譜呢？事實證明挺靠譜的。因為在同樣是自轉軸和黃道面幾乎垂直的水星和穀神星（自轉軸傾角分別是0.03°和4°），科學家們確實在它們的極區永久陰影區里成功找到了不少水冰[4-6]。

反倒是離我們更近的月球，科學家們還始終沒找到直接而確鑿的證據。確實，我們對月球的觀測是最多的，我們發射的月球探測器也是最多的，甚至有那麼幾次，我們差一點就成功了。

比如……

1998年發射的月球探勘者號（Lunar Prospector）探測器，它搭載的中子光譜儀在月球極區探測到了氫的富集[7]，這可能是水冰么？完全可能。但這也同樣可能是任何含有氫的物質，比如礦物中含有的水，或者是結構水（羥基OH）。我們無法判斷到底是哪一種。

月球探勘者號任務快要結束時，還發揮了最後一點「餘熱」——這顆探測器撞在了月球南極一個直徑50千米的隕石坑，同時也是一個理論上的永久陰影區內墜毀，想通過撞擊看看會不會觀察到水冰氣化產生的羽流。

但這次撞擊一無所獲，沒有觀察到任何水汽或者羽流。

不過值得一提的是，因為這顆探測器上還帶了一點行星地質學家尤金·舒梅克的骨灰，因此這個隕石坑在2001年被命名為舒梅克隕石坑。

2008年發射的月船1號（Chandrayaan-1）探測器，它搭載的月球礦物繪圖儀（簡稱M3）在月球極區發現了羥基/礦物中水的富集[9]。但遺憾的是M3可探測的波段大致在可見光到近紅外的範圍（0.46-2.98 μm），剛好不能很好地區分3 μm附近的水、羥基和水冰的差異，因此當時只用了2.8-3.0 μm波段的反射光譜特徵來判斷存在某種形式的水…但我們依然並不知道探測到的是哪種形式的水。

（左）月船1號的M3探測的月球極區水/羥基的富集（越藍表示越富集）。來源：NASA（右）光譜探測成分的原理是陽光照射在天體表面上某個區域的時候，不同的物質會對不同波段的光有吸收，於是這個吸收就會在的這個區域的反射光譜圖像中表現出一個V型。羥基（OH）、水和水冰在3 μm（3000 nm）附近有的不同波段有不同的吸收特徵，但月船1號的M3剛好沒能完整覆蓋這個區域。來源：參考文獻[9]

到了2009年，NASA再一次嘗試了「撞擊找冰」。與月球勘測軌道飛行器（LRO）一同發射的月球坑觀測和遙感衛星（LCROSS）專門就是奔著撞擊月球的永久陰影區去的，這一次，它選擇了南極的Cabeus隕石坑（就在前面圖中舒梅克隕石坑的附近）。這次撞擊成功地撞出了含有水蒸氣的羽流，證實月球極區的永久陰影區里確實有水。

但，還是老問題，我們無法判斷這些「水」是來自地表還是埋藏在地下的，也並不能判斷是來自水冰還是其他形式的水。

……

總之，在此之前科學家們都沒有在月球發現直接而明確的水冰存在的證據，直到這次。

塵封的寶藏：再探月船1號M3數據

轉眼之間，月船1號結束任務已經快10年了，此後的月球探測任務前赴後繼，海量的探測數據讓科學家們應接不暇，再加上10年前的月船1號M3數據質量並不好，這在光照極少的南北極陰影區更為明顯。漸漸地，尋找月球水冰的科學家們「放棄」了對月船1號M3的數據的探索，但李帥沒有。對此，布朗大學的行星科學家、M3儀器的項目負責人Carle Pieters坦言：「當李帥第一次提出打算用M3數據進行月球水冰探索時，我覺得他一定是瘋了。[10]」

雖然M3的反射光譜數據無法區分3 μm附近不同形態的水，但水冰在M3的探測波段範圍（0.46-2.98 μm）內還有一個獨特的特徵：它有三個顯著的特徵吸收，分別在1.3、1.5和2.0 μm處——李帥團隊就是通過這三處特徵吸收來判定陰影區中有沒有水冰存在的。如果你對今年初科學家們在火星中緯區域的地下發現大量純凈水冰層的事兒還有印象的話，他們也是用的同樣的判斷方法，只不過用的是數據質量更高的MRO CRISM光譜儀數據[11]。

在對低質量的M3觀測數據的巧妙處理和對處理結果的充分驗證之後，最終李帥團隊確認在月球南北緯70°以上的永久陰影區中發現了多處含有水冰的區域。

這是我們首次在月球發現水冰存在的直接證據。

月球南北極：這裡的水冰不一樣！

除了在月球極區發現了水冰的存在，李帥團隊還發現了一件挺「奇怪」的事兒：和水星、穀神星的極區永久陰影區中發現的分布廣泛、純度也較高的水冰不同，月球極區永久陰影區中僅僅只有很少的地方（3.5%的區域）發現了水冰，而且水冰含量（質量百分比）只有5%，也就是說，這些水冰是和大量月壤混合在一起的，純度並不高。

李帥團隊認為這很可能意味著：月球的南北極區「變成」極區的時間並不長，或者說，月球的極區位置曾發生過大幅度、非周期的變化，這個現象叫做「真極移」（true polar wonder）。加了個「真」，意思就是說這不同於「極移」（polar motion），後者是更為普遍的天體自轉軸的小範圍周期性移動。

真極移在太陽系天體的發展歷程中倒也不算罕見，火星、木衛二、土衛二，目前都普遍認為曾經發生過真極移，有些研究認為地球[12]和月球[13]也曾經發生過真極移。

如果月球曾經發生過真極移，那說明最近這次自轉軸位置發生變化之後，很少有新的水冰再補充進來，而現在發現的極區水冰應當非常古老了，這或許對我們追溯月球上水的來源和變遷有重要啟示。

不過，雖然這次發現的水冰很少，但並不代表月球上的水冰只有這麼點，畢竟M3的探測範圍只有地表以下1-2毫米[2]，也就是說，這次探測到的水冰可能只是 「冰山一角」，而地下更深處很可能還藏著更多水冰——這還需要更先進的探測器甚至著陸器的實地探測來給出答案。

有朝一日，如果人類真的可以重返月球，甚至建立長期的月球基地，那這些寶貴的水冰儲備將會變得非常有用。經過合理的開採和處理之後，這些水冰不僅有望為人類的月球之旅提供飲用水，還可以通過分解來提供呼吸所需的氧氣和作為火箭推進劑的氫氣。

這麼一想，我們離月球移民似乎又近了一點呢~

後記

M3儀器的項目負責人Carle Pieters說：「這麼多年以來，我已經學會了不要對一個朝氣蓬勃的年輕科學家說：某件極其困難的事是絕對不可能完成的。[10]」這回想必再次驗證了她這個經驗之談其實挺有道理的吧~

李帥童鞋目前正在夏威夷大學從事博士後研究，而在此之前，他還在南京大學、中科院遙感所、布朗大學度過過自己的學生生涯。主頁君蒙醬有幸邀請到了李帥本人來為這篇介紹文審稿，還獲得了以下的獨家採訪機會。

（對本文作者李帥的採訪）

蒙醬：這次的新發現非常令人驚喜呀，畢竟之前的很多嘗試，比如克萊門汀號探測器的多角度雷達，或者LRO的LAMP和LOLA，這些都沒有探測到水冰。可以分析一下原因嗎？

李帥：雷達探測對水冰含量有最低限制，要麼就是大塊的冰塊，要麼就是含量超過40%的含冰顆粒，要到這種純度雷達才會有顯著信號，而我們探測到的極區水冰含量遠低於這個下限。這很好理解，極區如果長期沒有新的水冰補充，而舊的水冰又不斷被小天體撞擊所打碎和混合，是不可能有大塊冰塊的，所以我非常理解為什麼雷達觀測沒有探測到。事實上，LRO的影像數據中也沒有看到任何異常，我想是因為同樣的原因。

蒙醬：在極區發現水冰是非常困難的，具體的難度在哪裡，可以展開講講嗎？

李帥：確實，自探測器時代以來，我們研究月球已經超過半個世紀，但其實對極地的成分分布了解還非常少。這主要是因為無法獲取極區陰影區的光譜數據，而其他數據不是解析度太低，就是不具備分析成分的能力。但對極區的研究又非常重要，因為這裡的環境特殊，沒有太陽的直射，再加上極地的溫度那麼低，那麼很有可能那裡還保留著很多與月球形成初期有關的活動，這對我們解開地月成因乃至追溯太陽系內的諸多早期活動都非常有用。

蒙醬：那麼這次我們在月球極區確認發現了水冰，你從研究者的角度，有沒有產生什麼新的期待或者想要進一步探索的內容呢？

李帥：當然有啊，正是因為對極區的探測既困難又非常重要，所以我真的很希望將來能有一個新的軌道器，專門針對極地進行探測。

蒙醬：針對極地的成分探測的話你認為需要搭載哪些科學儀器呢？畢竟1998年的月球探勘者號（LP）其實也算得上是專門針對極地了，設計軌道也是極軌的，但當時帶的科學儀器應該跟不上現在的需求了。

李帥：對的，LP的儀器解析度都太低了。軌道器的話，最需要的還是高靈敏的光譜儀、質譜儀這類探測成分的儀器，對於月球這種不活躍的天體來說，一個高質量的光譜儀可以解決很多問題。著陸器和月球車這種實地考察當然更好了，那甚至可以直接打鑽採樣，以及測量冰的厚度，比如如果能打鑽到10米深度，就可以測量不同深度的光譜了。

蒙醬：不過對目前的技術水平來說，去極區的話著陸器或者月球車的難度還是太大了。

李帥：對的，在極區就不能用太陽能，可能只能像好奇號那樣用核電池了。

蒙醬：而且不僅是太陽能，對著陸控制的要求也會比較高。

李帥：是的，可能需要更完善的著陸技術，不過這些就不是我的研究範疇了，只能說是希望啦（笑）。

總之，這次能夠向廣大讀者們介紹同領域的年輕中國學者的優秀研究成果，蒙醬也覺得非常開心和榮幸（說起來都是受過九年義務教育的年輕人，蒙醬和這些牛人的差距怎麼就這麼大呢orz）。

希望將來有機會能為更多天南海北的同領域研究者們介紹你們的工作，也讓更多人看到你們的努力和堅持~

致謝

本文感謝李帥和喬樂的審稿以及對本文內容提升所提的建議~

參考文獻

[1] Li, S., Lucey, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., ... & Elphic, R. C. (2018). Direct Detections of Surface Exposed Water Ice in the Lunar Polar Regions. LPI Contributions, 2087.

[2]Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B., ... & Hibbitts, C. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

[3]Urey, H. C. (1952) The Planets: Their Origin and Development (Yale Univ Press, New Haven, CT).

[4]Neumann, G. A., Cavanaugh, J. F., Sun, X., Mazarico, E. M., Smith, D. E., Zuber, M. T., ... & Barnouin, O. S. (2012). Bright and dark polar deposits on Mercury: Evidence for surface volatiles. Science, 1229764.

[5]Deutsch, A. N., Neumann, G. A., & Head, J. W. (2017). New evidence for surface water ice in small‐scale cold traps and in three large craters at the north polar region of Mercury from the Mercury Laser Altimeter. Geophysical Research Letters, 44(18), 9233-9241.

[6]Platz, T., Nathues, A., Schorghofer, N., Preusker, F., Mazarico, E., Schr?der, S. E., ... & Sch?fer, M. (2017). Surface water-ice deposits in the northern shadowed regions of Ceres. Nature Astronomy, 1(1), 0007.

[7]Feldman, W. C., Maurice, S., Binder, A. B., Barraclough, B. L., Elphic, R. C., & Lawrence, D. J. (1998). Fluxes of fast and epithermal neutrons from Lunar Prospector: Evidence for water ice at the lunar poles. Science, 281(5382), 1496-1500.

[8]Lawrence, D. J. (2017). A tale of two poles: Toward understanding the presence, distribution, and origin of volatiles at the polar regions of the Moon and Mercury. Journal of Geophysical Research: Planets, 122(1), 21-52.

[9]Pieters, C. M., Goswami, J. N., Clark, R. N., Annadurai, M., Boardman, J., Buratti, B., ... & Hibbitts, C. (2009). Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1. science, 326(5952), 568-572.

[10]https://www.scientificamerican.com/article/beyond-the-shadow-of-a-doubt-water-ice-exists-on-the-moon/

[11]Dundas, C. M., Bramson, A. M., Ojha, L., Wray, J. J., Mellon, M. T., Byrne, S., ... & Clark, E. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science, 359(6372), 199-201.

[12] Steinberger, B., & Torsvik, T. H. (2008). Absolute plate motions and true polar wander in the absence of hotspot tracks. Nature, 452(7187), 620.

[13] Siegler, M. A., Miller, R. S., Keane, J. T., Laneuville, M., Paige, D. A., Matsuyama, I., ... & Poston, M. J. (2016). Lunar true polar wander inferred from polar hydrogen. Nature, 531(7595), 480.

[14] 題圖來自

https://www.nasa.gov/feature/ames/ice-confirmed-at-the-moon-s-poles

[15] https://www.nasa.gov/feature/ames/ice-confirmed-at-the-moon-s-poles

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