月表水冰探測與賦存形態(tài)研究進(jìn)展

何成旦，李亞勝，溫 智，張 霄，殷子涵

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

關(guān)鍵字：月球探測；水冰；永久陰影區(qū)；賦存形態(tài)；水來源

0 引言

水是人類賴以生存的重要物質(zhì)，月球上的水資源是人類未來星際航行、月球基地建設(shè)與月球資源開發(fā)利用最重要的物質(zhì)補(bǔ)給。月球基地建設(shè)和資源開發(fā)利用是下一步重要工作目標(biāo)。研究月球表面是否有水、月球表面水賦存形態(tài)以及月球表面水的形成與演化過程是各國月球探測計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)之一[1-3]。此外，通過對(duì)月球水冰形態(tài)分布的探測研究可以為火星等星球的探測提供技術(shù)儲(chǔ)備。

近十幾年來，月表紅外光譜、雷達(dá)以及中子探測等均證實(shí)，月球南北極是有水存在的，月球上的水可能以水冰和月壤混合物的形式存在。月球極區(qū)永久陰影區(qū)（又稱冷阱）長期保持溫度在25～80 K。從理論上分析，在這些極度寒冷的永久陰影區(qū)，多種地質(zhì)演變及作用使得月表的水遷移至月球極區(qū)，冷凝為水冰及其混合物長期保存下來[4]。2020年，Honniball等[5]首次報(bào)道在月表非陰影區(qū)探測到了水分子的紅外信號(hào)，進(jìn)一步證實(shí)月表有分子水存在，而不僅僅存在于永久陰影區(qū)。

研究表明，月球兩極巨大的、永久被陰影籠罩的隕石坑中存在大量的水[6-8]。然而，由于這些區(qū)域特殊的地理位置和內(nèi)部環(huán)境，對(duì)其直接探測難度較大，導(dǎo)致采用多種手段的探測研究仍未能有效地了解其表層水冰的性質(zhì)、分布與賦存狀態(tài)。本文通過調(diào)研月球水冰雷達(dá)、中子譜、光譜探測、“撞月”科學(xué)實(shí)驗(yàn)和對(duì)月球取樣樣品的研究結(jié)果，探討了月球表面水冰賦存形態(tài)和可能來源，為我國嫦娥七號(hào)探測器著陸月球南極認(rèn)證水冰存在提供借鑒。

1 月球水冰探測研究進(jìn)展

長期以來，月球被認(rèn)為是無水星球。但人類對(duì)月球水冰的研究一直是月球探測所關(guān)注的重要科學(xué)問題和熱點(diǎn)之一。20世紀(jì)60年代開始，科學(xué)家對(duì)月球是否存在水進(jìn)行了理論研究。20世紀(jì)90年代以來，隨著技術(shù)進(jìn)步，月球水冰探測方法不斷豐富：雷達(dá)可以用來探測水冰的圓極化比（Circular Polariza?tion Ratio，CPR）；中子譜可以探測氫元素質(zhì)量豐度，由此推測水冰含量；光譜儀可以探測OH（羥基）和H2O成分及含量，反演水冰含量；撞擊實(shí)驗(yàn)可以確認(rèn)極區(qū)撞擊坑永久陰影區(qū)水揮發(fā)分和含量；取樣樣品分析可以直接測量月球樣品中水的含量。月球水冰的研究歷程如圖1所示。通過對(duì)這些方法所得結(jié)果的分析，科學(xué)家認(rèn)為月球上存在水冰。

圖1 月球水冰研究歷程Fig.1 Research history of lunar water ice

1.1 理論預(yù)測

早在1952年，Urey[9]在“行星：它們的起源和發(fā)展”中首次提出了凝聚的揮發(fā)性物質(zhì)可能存在于月球兩極的原始預(yù)測。

1961年，Watson等[10-11]最早提出了月球存在水冰的設(shè)想?；趯?duì)月表夜間溫度的測量結(jié)果，認(rèn)為月球軌道平面與黃道面間非常?。?.54°）的夾角和兩極附近起伏大的地形導(dǎo)致月球極區(qū)的一些低地勢區(qū)域（主要為撞擊坑內(nèi)部）長期不能接收到太陽光的直接照射，形成永久陰影區(qū)，也稱冷阱，永久陰影區(qū)的低溫環(huán)境有助于水冰保存。從月表釋放出來的水可能會(huì)聚集在極區(qū)永久陰影區(qū)，這些水可能主要來自于月球內(nèi)部，而不是外來隕石撞擊。

1979年，Arnold[12]綜合考慮了永久陰影區(qū)的特性，如年齡、內(nèi)部溫度及面積等，揮發(fā)分的遷移規(guī)律及可能的外生及內(nèi)生水源區(qū)等因素，首次對(duì)月球永久陰影區(qū)內(nèi)水冰的含量進(jìn)行了估計(jì)，認(rèn)為這些水冰的質(zhì)量含量介于1 wt%～10 wt%之間，總質(zhì)量高達(dá)1010～1011t。

1.2 雷達(dá)探測

雷達(dá)的CPR可以表征月球表面的物質(zhì)特性。CPR是雷達(dá)接收的同向極化總能量與反向極化總能量之比。通常，巖石行星的CPR較低，平均在0.2～0.4 dB，但是在雷達(dá)波長尺度粗糙的表面上，CPR較高。一般認(rèn)為粗糙月面CPR＜1 dB。冰對(duì)射頻能量是透明的，雷達(dá)波被冰中的缺陷和包裹體多次散射，導(dǎo)致了較高的CPR，對(duì)于水冰，CPR＞1 dB[13]。因此國際上普遍采用雷達(dá)對(duì)月球極區(qū)水冰進(jìn)行探測。

1992年，Stacy等[14]利用Arecibo天文臺(tái)的地基雷達(dá)探測了月球極區(qū)表面，發(fā)現(xiàn)不存在大面積水冰，但是在小于1 km2的區(qū)域，CPR升高，這表明，不排除月球極區(qū)永久陰影區(qū)存在水冰的可能性。2006年，Campbell等[15]利用Arecibo天文臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡獲取了月球南極高分辨率雷達(dá)反射數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)位于南極的沙克爾頓（Shackleton）撞擊坑和其他永久陰影區(qū)內(nèi)部不存在大量的純水冰物質(zhì)。但是該觀測結(jié)果不能排除水冰顆粒（含量低于10 wt%）和月壤混合物的存在。

1994年，Nozette等[16]利用美國的Clementine月球探測器雙基雷達(dá)首次對(duì)月球極區(qū)水冰進(jìn)行了近距離探測。探測器運(yùn)行到月球南極上空200 km高度，當(dāng)與月球、地面接收站在一條直線上時(shí)，月球極區(qū)永久陰影區(qū)（軌道234）具有較高的CPR，而周期性太陽照射的月球表面的CPR相對(duì)較低，如圖2所示。說明在南極永久陰影區(qū)有低損耗體積散射體，預(yù)示著水冰堆積物的存在。

圖2 Clementine雷達(dá)探測結(jié)果曲線Fig.2 Clementine radar detection results

Spudis等[17-18]通過研究印度Chandrayaan-1的Mini-SAR在月球北極表面獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，北極顯示了月球典型的后向散射特性，CPR在0.1～0.3 dB之間，新鮮隕石坑CPR＞1.0 dB。較高的CPR值可能反映了與這種特征相關(guān)的表面粗糙度。相比之下，北極一些隕石坑內(nèi)部顯示出較高的CPR，邊緣外部則沒有較高的CPR，所有這些特征都處于永久陰影區(qū)中，與美國月球探勘者號(hào)（Lunar Prospector，LP）中子數(shù)據(jù)模擬的極地冰可能存在的位置相同，認(rèn)為這些隕石坑中存在水冰沉積。

Spudis等[19]研究了美國NASA月球勘測軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）的Mini-RF雷達(dá)獲取的月表極區(qū)數(shù)據(jù)，在月球兩極永久陰影區(qū)發(fā)現(xiàn)了兩種類型的CPR特征：（1）新鮮隕石坑，隕石坑邊緣內(nèi)部和外部的CPR都高；（2）異常隕石坑，僅隕石坑邊緣內(nèi)部表現(xiàn)出高CPR。異常隕石坑中高CPR表明有異常沉積物存在[20]。通過對(duì)光照、溫度、中子通量、紫外線和雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析表明，這些沉積物很可能是水冰，估計(jì)月球兩極在月表下面2～3 m內(nèi)可能存在數(shù)億噸水。

Thomson等[8]利用美國LRO的Mini-RF雷達(dá)測量了月球南極Shackleton隕石坑的CPR，研究表明，隕石坑壁上的CPR呈斑片狀、隨深度（從隕石坑邊緣到底部的距離）增加而降低。該結(jié)果與表面粗糙度效應(yīng)一致，因?yàn)殡E石坑壁斜坡上存在不成熟的風(fēng)化層。LRO的Mini-RF測量Shackleton隕石坑獲得的CPR值與使用不同含冰量硅酸鹽混合物的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的CPR值對(duì)比如圖3所示。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算采用的是冰含量分別為0.5 wt%、1.0 wt%、2.5 wt%、5 wt%和10 wt%水冰。從圖3可以看出，高CPR值僅限于隕石坑底部，雖然分布不均勻，但與模擬5 wt%～10 wt%冰含量的計(jì)算結(jié)果一致，是月表下1 m范圍內(nèi)月壤中存在5 wt%～10 wt%的水冰造成的。

圖3 Shackleton隕石坑CPR測試數(shù)據(jù)與半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的CPR數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.3 Comparison of CPR data obtained from measurement of LRO Mini-RF Shackleton craterwith CPR values calculated using a semi-empirical model of an ice-silicate mixture

1.3 中子譜儀探測

通過測量中子通量譜，可以對(duì)富含氫的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行鑒定并表征其空間分布，判斷月球表面或者地下是否有水冰存在。中子通量譜探測成為測量行星表面物質(zhì)成分的常用技術(shù)。

在月球100 km高度軌道上不同含水量的亞鐵斜長石月壤中子通量譜模擬結(jié)果如圖4所示[21]。圖中反映出三種能區(qū)的中子通量密度都會(huì)隨含水（氫）量變化而變化，超熱中子和快中子通量密度隨含水量增加變化最為明顯和清晰。

圖4 亞鐵斜長石月壤中對(duì)應(yīng)不同含水量的中子通量譜模擬曲線Fig.4 Simulation diagram of neutron flux spectrum corresponding to different water content in ferrous plagioclase lunar soil

1998年，F(xiàn)eldman等[21-23]首次利用美國LP探測器中子譜儀對(duì)月球極區(qū)永久陰影區(qū)的氫元素含量進(jìn)行了直接測量，如圖5所示。對(duì)超熱中子數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，永久陰影區(qū)表現(xiàn)出明顯的氫元素豐度異常。研究者認(rèn)為，水的存在形式為純水冰，與月壤混合共存，冰層分布在40 cm厚的干風(fēng)化層下，在兩極的總有效表面積約為1 850 km2，極區(qū)水冰儲(chǔ)量大約為3×109t。

圖5 根據(jù)LP中子譜儀數(shù)據(jù)分析得到的月球氫含量分布Fig.5 Lunar hydrogen content distribution obtained from LP neutron spectrometer data analysis

Lawrence[24]總結(jié)了LP超熱中子數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)最大氫濃度出現(xiàn)在永久陰影區(qū)，如圖6所示。永久陰影區(qū)溫度遠(yuǎn)低于100K，這是數(shù)十億年來穩(wěn)定水冰所需的溫度。根據(jù)超熱中子數(shù)據(jù)對(duì)南極附近永久陰影區(qū)底部月壤含水量進(jìn)行了估計(jì)，氫元素含量為1.7× 10-3±0.9×10-3，這意味著水含量為1.5 wt%±0.8 wt%。

圖7 月球兩極永久陰影區(qū)、高含氫區(qū)和異常CPR隕石坑的位置和分布Fig.7 Location and distribution of permanent shadow area，high H-bearing area and abnormal CPR crater at lunar poles

Elphic等[25]利用基于pixon圖像重建算法繪制了月球南極當(dāng)量水的氫濃度圖，該圖與軌道中子測量數(shù)據(jù)一致：一些永久陰影區(qū)的水含量大于0.5 wt%，表明表土顆粒中存在水冰。永久陰影區(qū)中氫的分布不均勻，意味著該區(qū)域中某些地方水含量較高。例如，在Shackleton隕石坑中，坑底面積的10%含有20 wt%的水，其他區(qū)域水含量為0.25 wt%。

1.4 光譜儀探測

自然界中任何物質(zhì)都具有其自身的電磁輻射規(guī)律。人們利用物質(zhì)的特定組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有特殊光學(xué)性質(zhì)的光譜，用于物質(zhì)鑒別和確認(rèn)。光譜儀被廣泛用于月球水冰探測中。2009年，美國NASA的深度撞擊探測器（Deep Impact Spacecraft）在執(zhí)行EPOXI擴(kuò)展任務(wù)時(shí)對(duì)月球進(jìn)行了兩次紅外光譜觀測[26]。通過數(shù)據(jù)分析，月表OH/H2O（羥基/水）的分布隨溫度、緯度和時(shí)間而變化。

LRO的Diviner月球輻射計(jì)測得了月球極區(qū)表面溫度圖[27]，如圖8（a）和（b）所示。（a）是白天輻射熱亮度溫度；（b）是夜間輻射熱亮度溫度；（c）是用模型計(jì)算的Cabeus隕石坑地表年平均溫度和LCROSS撞擊位置；（d）是用模型計(jì)算的水冰以低于每十億年1 kg·m-2的升華速率遷移到的深度。圖中白色區(qū)域是月表冷阱留存水冰的位置，彩色區(qū)域顯示了月球冰層-永久凍土的邊界，灰色區(qū)域覆蓋了地下溫度過高導(dǎo)致月表下1 m范圍內(nèi)不可能留存水冰的位置。該圖揭示了月球南極廣泛的地表和近地表低溫區(qū)的存在，這些低溫區(qū)超出了持續(xù)陰影的邊界。Cabeus隕石坑的地表溫度為38 K。月球極地的大部分區(qū)域都非常冷，足以將水冰和一些易揮發(fā)物質(zhì)困住。

圖8 月球南極地區(qū)實(shí)測和模型計(jì)算的地表和地下溫度圖Fig.8 Maps of measured and model-calculated surface and subsurface temperature in the lunar south polar region

Hayne等[28]利用LRO的Diviner月球輻射計(jì)和LAMP（Lyman Alpha Mapping Project）紫外反射率光譜儀驗(yàn)證了月球永久陰影區(qū)內(nèi)存在裸露的水冰。根據(jù)LAMP紫外光譜，在年最高溫度Tmax＞110 K（H2O升華溫度）的位置上，沒有找到存在水冰的證據(jù)；在常年低于110 K的位置，光譜發(fā)生了強(qiáng)烈變化，這與表面上存在水冰的紫外光譜一致。如果水冰與干風(fēng)化層緊密混合，Tmax<110 K的冷阱內(nèi)的水冰濃度為0.1 wt%～2.0 wt%；如Fisher等[29]和Gladstone等[30-31]所述，如果純水冰暴露在外，在250 m的測量范圍內(nèi)最多可覆蓋約10%的表面積。暴露水冰的分布高度不均勻，一部分小于110 K的冷阱中幾乎沒有明顯的水冰，而另外一部分同樣溫度的冷阱中有大量的水冰。隨著溫度從110 K降至65 K，H2O含量明顯增加。然而，不能排除較冷的冰沉積物主要是二氧化碳冰的可能性。

Pieters等[32]利用印度Chandrayaan-1月球礦物學(xué)繪圖儀（Moon Mineralogy Mapper，M3）研究發(fā)現(xiàn)，月球表面曾發(fā)生過水化過程，出現(xiàn)原生水合礦物相；M3數(shù)據(jù)與中子譜儀氫豐度數(shù)據(jù)顯示，月球上OH和H2O的形成和保留是持續(xù)的過程。M3對(duì)H2O或OH的探測具有明顯的表面相關(guān)性（即H2O或OH在月球表面上部幾毫米的土壤中），這可能是太陽風(fēng)與月壤相互作用產(chǎn)生水的有力證據(jù)。Li等[33-34]根據(jù)M3的近紅外反射數(shù)據(jù)繪制了第一張?jiān)虑虮砻嫠娜蚨繄D，并對(duì)其進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，OH的質(zhì)量豐度隨著緯度的增加而增加，豐度為5×10-4～7.5×10-4。水含量也隨空間風(fēng)化程度增加而增加。有些地方觀察到異常高的含水量，表明月球內(nèi)部有巖漿源。地表水含量在一個(gè)月內(nèi)變化約為0.05 wt%，表土上層可能含有約1.2×108t水。

2020 年，Honniball等[5，35]報(bào)道了首次使用 NASA平流層紅外天文臺(tái)（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）微弱物體紅外相機(jī)對(duì)月球高緯度地區(qū)Clavius隕石坑進(jìn)行6μm波長紅外觀測。結(jié)果顯示，Clavius及其周圍區(qū)域有一個(gè)6μm的強(qiáng)發(fā)射帶，H2O在6μm波長處表現(xiàn)出基本振動(dòng)，即H-O-H彎曲，該彎曲只能由H2O產(chǎn)生，在其他含OH化合物中不存在[36]，證明了月球表面有水分子存在，如圖9所示。據(jù)估計(jì)，Clavius隕石坑的水含量約為0.014 wt%～0.064 wt%，平均水含量約為0.04 wt%。

圖9 具有最大（紅色）和最小水含量的Clavius區(qū)域的紅外發(fā)射光譜曲線Fig.9 Infrared emission spectrum of Clavius region with maximum（red）and minimum H2O abundance

1.5 撞擊試驗(yàn)

2009年，“牧羊人”飛船攜帶近紅外（NIR）和紫外/可見（UV/VIS）光譜儀觀測到傳感衛(wèi)星（LCROSS）撞擊月球南極Cabeus隕石坑內(nèi)永久陰影區(qū)噴出的碎片、灰塵和蒸氣，水蒸氣和冰的近紅外吸收譜及OH的紫外輻射譜證實(shí)碎片中存在水。探測儀器視場內(nèi)水冰的最大含量為155 kg±12 kg，撞擊現(xiàn)場風(fēng)化層中的水冰濃度估計(jì)為5.6 wt%±2.9 wt%。除水外，還觀察到其他揮發(fā)性化合物的光譜帶，包括：輕烴、含硫物質(zhì)和二氧化碳[37-38]。LCROSS撞擊前，印度Chandrayaan-1和美國LRO上的微型合成孔徑雷達(dá)獲得的撞擊點(diǎn)的圖像表明，Cabeus隕石坑中CPR值大于1 dB，說明在月表下幾米范圍內(nèi)不存在純凈水冰的厚沉積物，LCROSS撞擊后觀測到的水是離散冰塊與月壤混合的形式，或者是在巖石顆粒表面形成一層薄冰層。LCROSS撞擊濺射物的光譜探測結(jié)果如圖10所示[39-42]。

圖10 LCROSS撞擊濺射物的光譜探測結(jié)果Fig.10 Spectrum detection results of LCROSS impact sputter

1.6 取樣樣品分析

1976年，前蘇聯(lián)Luna 24號(hào)探測器在月球Mare Crisium南部從風(fēng)化層2 m深處鉆取了約170 g月壤。Crotts[43]報(bào)道了Akhmanova等采用紅外吸收光譜（波長約為3μm）研究發(fā)現(xiàn)，取樣樣品含有約0.1 wt%的水。由于測量過程未使用無水手套箱，無法確定樣品中的水是否為吸收的空氣中的水分，同時(shí)，探測器著陸時(shí)推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的100 kg水蒸氣也有可能污染樣品，因此，科學(xué)家們對(duì)該研究結(jié)果長期存在爭議。

羲之既去官，與東土人士盡山水之游，弋釣為娛。又與道士許邁共修服食，采藥石不遠(yuǎn)千里，遍游東中諸郡，窮諸名山，泛滄海，嘆曰：“我卒當(dāng)以樂死。”[9](《王羲之傳》，P2101)

科學(xué)家[44-48]使用傅立葉變換紅外光譜法、拉曼光譜、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和電子探針微量分析（EPMA）等方法，對(duì)阿波羅任務(wù)中獲得的月球亞鐵斜長巖進(jìn)行了含水量測量，檢測到大約0.000 6 wt%水；從月球高地地殼的斜長巖中檢測到0.000 27 wt%的水，估計(jì)月球巖漿海（Magma ocean）的初始含水量約為0.032 wt%，最終殘余物中的含水量可能達(dá)到1.4 wt%。Greenwood等[49]對(duì)阿波羅任務(wù)期間收集的月海玄武巖和高地磷灰石的研究發(fā)現(xiàn)了大量的水，表明水在月球巖漿歷史的各個(gè)階段都發(fā)揮了作用。Saal等[50-51]利用二次離子質(zhì)譜法獲得了月球上最原始玄武巖（月球火山玻璃）的固有揮發(fā)性物質(zhì)（CO2、H2O、F、S和Cl）的含量，月壤中可能含有沒有完全耗盡包括水在內(nèi)的高揮發(fā)性物質(zhì)。Francis等[52]采用二次離子質(zhì)譜法分析了不同月球樣本磷灰石中的OH，獲得月球內(nèi)部水含量數(shù)據(jù)。

2 月球水冰來源

月球探測結(jié)果證實(shí)了月球極區(qū)永久陰影區(qū)有水存在，但其分布不均勻。另外，月球水冰的輸送過程對(duì)水冰的表面特征以及賦存狀態(tài)有著重要的影響，但科學(xué)家們還不太清楚這些水冰是何時(shí)被輸送到月球極區(qū)永久陰影區(qū)的。月球上水的來源可能有三種：

（1）來源于地球。月球是小天體與地球撞擊產(chǎn)生的，月球的水來源于地球。根據(jù)這一理論，水集中在月球內(nèi)部。Li等[33]對(duì)返回的月球樣品進(jìn)行了原位測量，認(rèn)為月球存在內(nèi)源性（巖漿）水。Saal等[50-51]對(duì)阿波羅15號(hào)和17號(hào)任務(wù)帶回來的月球火山玻璃樣品的研究表明，月球水的氫同位素與地球內(nèi)部巖石所含水的氫同位素豐度比值相近，說明月球與地球水的來源相同。Francis等[52]研究表明月球有巖漿過程中保存的水，水可能在月球內(nèi)部無處不在，可能早在月球形成時(shí)就存在了。Mccubbin等[48]對(duì)阿波羅15058128號(hào)樣品氟磷灰石中OH的研究支持月球巖漿中存在溶解水以及月球內(nèi)部至少有微量水的結(jié)論。

（2）太陽風(fēng)注入月表。月球不斷吸收太陽噴射的“太陽風(fēng)”帶電粒子流，月球表面的硅酸鹽被帶電粒子“轟擊”注入月壤，在高能氫離子的作用下硅氧鍵斷開并與氧結(jié)合形成OH，再通過微隕石撞擊產(chǎn)生的熱能把OH轉(zhuǎn)變?yōu)樗肿?。Liu等[53]利用紅外光譜分析了阿波羅11號(hào)、16號(hào)和17號(hào)飛船帶回的月球平原和月球高地的風(fēng)化層土壤顆粒樣品，發(fā)現(xiàn)樣品OH中氫原子的同位素豐度與太陽風(fēng)中的相近，認(rèn)為月球上的水可能與太陽風(fēng)有關(guān)。Bandfield等[54]通過對(duì)Chandrayaan-1的M3反射光譜分析，發(fā)現(xiàn)所探測的區(qū)域存在與OH/H2O相同的顯著吸收特征，表明月球表面廣泛存在OH/H2O，光譜分析結(jié)果與太陽風(fēng)注入氫離子在月球風(fēng)化層物質(zhì)中產(chǎn)生OH的現(xiàn)象一致，認(rèn)為月表水是太陽風(fēng)與月壤相互作用產(chǎn)生的。

（3）含水彗星/小行星撞擊。含水彗星和小行星撞擊月球，水分子被月球引力捕獲。Greenwood等[49]在阿波羅任務(wù)期間收集的月海玄武巖和高地磷灰石中發(fā)現(xiàn)了大量的水，利用離子探針測量含水礦物磷灰石中的水和氫同位素表明，月球形成后，彗星向其輸送了大量的水。Deutsch等[55]研究了隕石坑和坑中冰的年齡，認(rèn)為冰是被輸送到月球表面的，可能來自微流星體，也可能是太陽風(fēng)與月球表土相互作用的結(jié)果。Stewart等[56]模擬彗星撞擊月球產(chǎn)生的水氣羽流以及由此產(chǎn)生的月球冷阱水冰沉積的結(jié)果表明，約0.1 wt%的彗星質(zhì)量最終保留在月球上；按照模擬中使用的冷阱的表面積計(jì)算，撞擊后冷阱中會(huì)積聚1 mm厚的冰，極地冷阱中累積的水的總質(zhì)量與觀測結(jié)果一致。

科學(xué)家認(rèn)為，月球的儲(chǔ)水量遠(yuǎn)超人們先前的想象，水廣泛存在于月球表面以下的月壤中。

3 月球水冰賦存形態(tài)分析

在月球表面，由于超高真空、極端高低溫度以及宇宙射線等因素的影響，水冰賦存有其獨(dú)特性。在月球超高真空環(huán)境中，表面的水分子極易逃逸到外太空，所以月球表面幾乎不存在氣態(tài)形式的水分子，尤其在太陽光照射的表面，氣態(tài)分子的逃逸概率更大。理論上氣態(tài)水分子可能存在于月球地下封閉的裂隙空間中，或者在極區(qū)永久陰影區(qū)中，當(dāng)大量固態(tài)冰或者月壤-冰混合物存在的情況下，氣態(tài)水分子吸附于固態(tài)水冰或者凍結(jié)月壤的顆粒表面。

在月表氣壓為10-10～10-8Pa，月球極區(qū)隕石坑永久陰影區(qū)坑底平均溫度為40 K的環(huán)境中，理論上可以維持冰-水-氣的相變平衡，從而保證水冰永久存在的可能性。因此，月球極區(qū)永久陰影區(qū)極有可能存在固態(tài)冰，或者月壤-冰混合物。而氣態(tài)水分子及液態(tài)水極有可能存在于固態(tài)水冰或者凍結(jié)月壤的顆粒表面[57]。由于極端低溫，液態(tài)水可能是以束縛水（強(qiáng)結(jié)合水）的形式存在。在月壤深處，受月壤顆粒的束縛作用，水分子不易逃脫，加之低溫約束，月壤中可能在一定程度上存在各種形式的水，主要包括：固態(tài)冰、薄膜水、結(jié)晶水、化合水或者OH形式的水。此外，受太陽風(fēng)作用，可能在月壤表面存在一定數(shù)量氫離子或者OH形式的水。

Cannon等[58-60]研究了月球兩極冰和濺射沉積物的地層學(xué)，認(rèn)為地層中可能有較厚的、塊狀結(jié)構(gòu)的冰沉積，由于撞擊翻轉(zhuǎn)、顆粒表面的冰沉積和融結(jié)（如彗星冰）的影響，冰可能不存在于連貫層中。根據(jù)阿波羅樣品中觀察到的月壤顆粒的復(fù)雜性以及冰在冷阱中運(yùn)行的物理過程，月球冷阱環(huán)境中觀察到的冰和硅酸鹽可能的結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 月球冷阱中觀察到的冰和硅酸鹽可能的結(jié)構(gòu)Fig.11 Possible ice and silicate textural relations that may be observed in lunar cold trap environment

4 月球水冰探測展望

月球極區(qū)和水冰探測已成為航天大國競相搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[1，61]。2019年，美國公布了重返月球的Artemis計(jì)劃[62]，目標(biāo)是2024年實(shí)現(xiàn)載人登陸月球南極，2028年實(shí)現(xiàn)月面長期駐留。其科學(xué)研究目的是首先直接測量極地?fù)]發(fā)物，提高對(duì)其橫向和縱向分布、物理狀態(tài)和化學(xué)成分的理解；對(duì)資源原位利用的研究重點(diǎn)是分析月球水冰的組成，尋找原位使用月球水冰以維持基地運(yùn)行并補(bǔ)給燃料的方法。俄羅斯將月球探測列為優(yōu)先發(fā)展方向之一，計(jì)劃在2025年前實(shí)施Luna-25月球南極著陸、Luna-26繞月探測和Luna-27月球南極著陸巡視等任務(wù)。2019年俄羅斯公布了《月球綜合探索與開發(fā)計(jì)劃草案》，提出在2036-2040年建設(shè)月球基地。2015年，歐洲航天局（ESA）提出了建立國際月球村的計(jì)劃；2019年又提出了以科學(xué)和開發(fā)利用為雙輪驅(qū)動(dòng)的探月新規(guī)劃，包括2023年月球南極原位資源探測任務(wù)等。日本宇航研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）規(guī)劃了“月球探索智能著陸器”（SLIM）計(jì)劃、水冰勘查等任務(wù)。印度計(jì)劃在2021年發(fā)射Chandrayaan-3任務(wù)，著陸和探測月球，并與日本達(dá)成未來探月的合作意向。

中國于2016年提出國際月球科研站的設(shè)想[1]。2019年中國航天局和歐洲航天局、俄羅斯航天局達(dá)成共識(shí)，共同牽頭開展國際月球科研站規(guī)劃論證工作。以中國將要實(shí)施的嫦娥六號(hào)、嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)任務(wù)為基礎(chǔ)，并與國際上已經(jīng)規(guī)劃的月球探測任務(wù)相結(jié)合，在2030年前建立一個(gè)基本型的國際月球科研站。該項(xiàng)研究的首要任務(wù)是直接認(rèn)證月球水冰的存在，并確定其來源。其中嫦娥七號(hào)探測器計(jì)劃著陸月球高緯度南極地區(qū)，其飛躍器攜帶水分子探測儀降落在預(yù)先選定的隕石坑永久陰影區(qū)，進(jìn)行極區(qū)水和揮發(fā)分的原位探測[63]。載荷包括：鉆取設(shè)備、揮發(fā)分分析儀器和其他輔助設(shè)備，可以鉆取一定深度（如＞0.3 m）的含水樣品，通過加熱的方式獲取水蒸汽和其他揮發(fā)分，利用質(zhì)譜儀和光譜儀分析其成分和含量，判斷其來源。

5 結(jié)論

月球水冰探測和利用是當(dāng)前月球探測的熱點(diǎn)，月球水冰分布和來源是亟待解決的科學(xué)問題。通過調(diào)研月球水冰探測與研究進(jìn)展，得到如下結(jié)論：

科學(xué)家理論預(yù)測認(rèn)為月球極區(qū)存在水冰；雷達(dá)探測月球極區(qū)永久陰影區(qū)沉積物的CPR值，表明有OH存在；通過中子譜儀探測月球極區(qū)永久陰影區(qū)氫元素豐度，科學(xué)家推測有水冰存在；采用光譜儀探測，確認(rèn)了月表OH和H2O的成分與含量；通過撞擊試驗(yàn)探測，認(rèn)為月球極區(qū)永久陰影區(qū)揮發(fā)分中含有水冰；對(duì)月球取樣樣品的定量分析證實(shí)含有微量水。目前，人們普遍認(rèn)為月球存在水。

月球水冰可能來源于地球、太陽風(fēng)注入月表和含水彗星/小行星的撞擊；其賦存形態(tài)包括固態(tài)冰、薄膜水、結(jié)晶水、化合水和月壤中以氫離子和OH形式存在的水。

未來月球探測任務(wù)中，著陸月球極區(qū)永久陰影區(qū)，進(jìn)行原位取樣，通過質(zhì)譜儀分析揮發(fā)分及含量是直接認(rèn)證月球水冰存在的最有效方式。