月壤中的水主要從哪里來(lái)？怎么用？|林紅磊等-Science Bulletin

水在月球的形成和演化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，也是人類在月面活動(dòng)的潛在可利用資源。如今，月球上的水受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。在未來(lái)的五年里，許多任務(wù)將集中在月球水的探測(cè)上，比如美國(guó)航空航天局的“月球開(kāi)拓者”號(hào)軌道器和VIPER月球車、中國(guó)的“嫦娥七號(hào)”和“嫦娥八號(hào)”等，甚至一些商業(yè)公司也已經(jīng)加入其中。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所魏勇研究員等人在《中國(guó)科學(xué)院院刊》2024年第5期發(fā)表了題為“深空探測(cè)科技制高點(diǎn)上的新焦點(diǎn)：月球水資源”的科學(xué)觀察文章，指出月球水不僅能夠幫助揭示地月系統(tǒng)乃至太陽(yáng)系形成演化的關(guān)鍵過(guò)程，也是行星科學(xué)研究的前沿和學(xué)科建設(shè)的重要著力點(diǎn)；月球水資源的開(kāi)發(fā)能夠?yàn)槲磥?lái)的深空探測(cè)任務(wù)提供燃料和保障人類在月球上長(zhǎng)期生存，是各國(guó)各機(jī)構(gòu)擴(kuò)展深化國(guó)際合作、共同利用地外資源造福人類的必然選擇。

過(guò)去幾十年的探測(cè)，從實(shí)驗(yàn)室的月壤樣品分析到衛(wèi)星遙感觀測(cè)再到月面就位測(cè)量，多種證據(jù)已經(jīng)確認(rèn)月球上存在水。通過(guò)對(duì)有限數(shù)量的月壤顆粒的氫同位素測(cè)量，已經(jīng)找到了水來(lái)自月球內(nèi)部、太陽(yáng)風(fēng)注入和小行星/彗星撞擊等多來(lái)源的證據(jù)，從而增加了月球水源問(wèn)題的復(fù)雜性。如何更具統(tǒng)計(jì)意義的表征月壤水的主要來(lái)源，并能更好的代表月面的真實(shí)情況，仍是一個(gè)待解決的問(wèn)題。

嫦娥五號(hào)樣品最適合做這個(gè)研究。一方面，嫦娥五號(hào)月壤相比于阿波羅月壤更“新鮮”，在返回地球后受到大氣水可能的污染更小；另一方面，同步獲取了采樣區(qū)域的原位光譜，可與樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和衛(wèi)星遙感觀測(cè)建立關(guān)聯(lián)，評(píng)估不同方法的有效性和代表性。科學(xué)家對(duì)有限的月壤顆粒進(jìn)行了分析，但是否能夠準(zhǔn)確代表著陸點(diǎn)的區(qū)域情況并與遙感觀測(cè)進(jìn)行比較仍未可知。因此，分析大量樣品對(duì)于獲得更具代表性的理解至關(guān)重要。與之前的任務(wù)（即Apollo和Luna）相比，嫦娥五號(hào)月壤來(lái)自更高的緯度，水含量更具有光譜可測(cè)量性。因此，我們?cè)诟艚^大氣環(huán)境的手套箱里對(duì)大量的嫦娥五號(hào)月壤進(jìn)行了光譜測(cè)量，來(lái)確定水的含量（圖1）。

圖1 嫦娥五號(hào)采樣區(qū)和返回樣品在實(shí)驗(yàn)室的光譜測(cè)量

月壤顆粒大小和含水量之間的相關(guān)性有助于區(qū)分不同的水源。太陽(yáng)風(fēng)注入到月壤中的水顯示出與比表面積的相關(guān)性，而來(lái)自月球本身或彗星的水卻沒(méi)有。因此，通過(guò)比較嫦娥五號(hào)月壤細(xì)粒和粗粒部分的含水量，可以表征月球風(fēng)化層中水的主要來(lái)源。結(jié)果表明，月壤的細(xì)粒部分的水含量更高，指示太陽(yáng)風(fēng)注入是月表水的主要來(lái)源，這一發(fā)現(xiàn)為月壤中水的主要來(lái)源提供了統(tǒng)計(jì)證據(jù)（圖2）。實(shí)驗(yàn)室、月表原位和衛(wèi)星遙感光譜的月壤水測(cè)量結(jié)果非常一致，說(shuō)明該項(xiàng)研究的結(jié)論能夠很好的代表月面的真實(shí)情況。

圖2 嫦娥五號(hào)月壤樣品光譜及不同粒徑的水含量

在月球中低緯度建站時(shí)，篩選月壤最細(xì)的部分進(jìn)行水的提取可能是效率更高的一種方式。水是目前月球上最有可能先利用起來(lái)的資源，其原位利用可以為人類月面活動(dòng)和支撐人類走向更遠(yuǎn)的深空提供支持。在月球極區(qū)，永久陰影區(qū)的水冰目前是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但在中低緯地區(qū)不存在水冰，而人類又面臨著在中低緯建站的需求，因此怎么利用月壤中的水是一個(gè)重要課題，本項(xiàng)研究成果表明篩選月壤最細(xì)的部分進(jìn)行水的提取會(huì)更有效率。

研究成果近期在線發(fā)表于Science Bulletin：

林紅磊，徐睿，李帥，常睿，惠鶴九，劉洋，田恒次，范開(kāi)，何志平，賀懷宇，楊蔚，林楊挺，魏勇. Higher water content observed in smaller size fraction of Chang’e-5 lunar regolith samples.Science Bulletin, 2024. https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.05.031（點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”跳轉(zhuǎn)到原文網(wǎng)頁(yè)）

編輯：劉強(qiáng)