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最近，在我國(guó)嫦娥五號(hào)任務(wù)帶回的月壤樣品中，我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種富含水分子和銨的未知礦物晶體，以確鑿證據(jù)宣告了水分子在月球上的真實(shí)存在。這種“月球水”和我們所熟知的水有何不同？是否意味著以后我們能去月球上種菜了？

月球表面含水礦物形成效果圖。（中國(guó)科學(xué)院物理研究所供圖）

01 月球水，到底是什么水？

水是地球上最常見(jiàn)的物質(zhì)之一，通常都以液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)存在。但月球上是否有水，一直是研究人員爭(zhēng)相探索的目標(biāo)。2022年，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)嫦娥五號(hào)所攜帶“月球礦物光譜分析儀”探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，首次獲得了月表原位條件下的水含量——1噸月壤中約有120克“水”，1噸巖石中約有180克“水”。但這還不算“實(shí)錘”證據(jù)。盡管這項(xiàng)研究證實(shí)了月球有水，但并未斷定這水到底是不是月球本地“土著”，也未斷定這水是“羥基”還是“水分子”。

我們知道，月球沒(méi)有大氣層來(lái)調(diào)節(jié)溫度，也沒(méi)有磁場(chǎng)的保護(hù)，白天，太陽(yáng)垂直照射的月表最高溫度可達(dá)127°C，晝夜溫差最大超330℃。研究人員此前多認(rèn)為月球上的水多來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)“吹”來(lái)的粒子流或隕石/小行星撞擊，且大多分布在低溫和缺乏太陽(yáng)照射的永久陰影區(qū)。

但此次月壤中發(fā)現(xiàn)的水可不一般！在嫦娥五號(hào)攜帶回的迄今為止緯度最高的月壤樣本中，研究人員發(fā)現(xiàn)的是一種未知的礦物晶體——六水氯化鎂銨（ULM-1）。基于單晶衍射和化學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這種礦物成分為

的水合物形式，其中含有大量的水分子和銨。盡管發(fā)現(xiàn)的并不是直接的液態(tài)水或冰，但該礦物中水分子的質(zhì)量比高達(dá)41%——1噸礦物中約有410千克水分子，在加熱條件下還能以水蒸氣的形式逸出。

ULM-1的照片和成分組成。a. CE5土壤樣本的照片，b.ULM-1單晶照片，c. EDS光譜，d. EPMA光譜，e.拉曼光譜，f. IR光譜。（中國(guó)科學(xué)院物理研究所供圖）

02 為何科學(xué)家們?nèi)绱藞?zhí)著尋找月球水？

水是生命的基礎(chǔ)保障之一，水在類地行星的地質(zhì)演化中更是具有舉足輕重的作用。雖然人類早在20世紀(jì)60年代就已登上月球，但無(wú)論對(duì)于了解月球的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、形成演化以至未來(lái)進(jìn)行資源開(kāi)發(fā)、打造月球基地而言，月球水都蘊(yùn)含著巨大的科研價(jià)值和意義。

科學(xué)家曾經(jīng)通過(guò)月球遙感探測(cè)測(cè)量過(guò)水分子和羥基的存在，但若想進(jìn)一步了解行星的物質(zhì)組成，采集樣本自然是最好的途徑。此前科學(xué)家在分析美國(guó)“阿波羅”號(hào)飛船帶回的月球巖石樣本時(shí)，也曾發(fā)現(xiàn)巖漿水，但科學(xué)家一直以為是樣本受到了地球的“污染”。也正因?yàn)樵虑驑颖镜恼滟F和確保樣本完整安全的高標(biāo)準(zhǔn)，研究人員從采樣、封裝、運(yùn)輸?shù)介_(kāi)艙移交的整個(gè)過(guò)程都不容得一絲馬虎。

嫦娥五號(hào)采集回的樣品采用的是一種充了保護(hù)性氮?dú)獾拿芊庋b置，在處理月壤樣品時(shí)，科學(xué)家們也會(huì)使用專門的存放設(shè)施和樣品處理分析實(shí)驗(yàn)室，盡可能保證月壤樣品不被污染，科研結(jié)果才更加可信。

對(duì)于此次ULM-1的分析，研究人員排除了地球污染或火箭尾氣等外來(lái)形成因素，進(jìn)一步確認(rèn)該礦物的氯同位素組成與月球上的礦物相符。并且，這種水合物需要一定的溫度和復(fù)雜的氣氛條件才能形成，也排除了人為因素的干擾。確認(rèn)了其就是來(lái)自月壤中的“貨真價(jià)實(shí)”的水分子。

月球大撞擊成因理論認(rèn)為，月球是在在太陽(yáng)系形成早期，有一顆像火星般大小的天體（通常被稱為“忒伊亞”或Theia）高速撞擊了地球后形成的。月球上的巖石，?特別是在月球表面形成的巖石主要是通過(guò)火山活動(dòng)過(guò)程中的巖漿冷卻凝固形成的，此次發(fā)現(xiàn)的礦物晶體其所處的地質(zhì)年代已有含水的礦物形成，這對(duì)于了解月球巖漿活動(dòng)和熱演化等有著重要意義。

更令人驚喜的是，此次研究人員發(fā)現(xiàn)月球上水分子可能存在的一種形式是水合鹽，也進(jìn)一步說(shuō)明它可以長(zhǎng)期穩(wěn)定存在于月球的陽(yáng)光照射區(qū)域，這為月球資源的利用和探索提供了更為廣闊的前景。

03 月球上有水了，是否意味著我們以后離去月球上“種菜”不遠(yuǎn)了？

因這次發(fā)現(xiàn)的水合物中富含銨和少量鉀，很多人認(rèn)為人類在月球上種植作物指日可待。不過(guò)，設(shè)想我們開(kāi)始建設(shè)月球基地，首先要尋找到這種水合物富集的地區(qū)，其次要克服月球上的惡劣環(huán)境以及運(yùn)輸、生命維持系統(tǒng)等設(shè)備運(yùn)行等種種難題。因此，目前暫無(wú)法支持植物或作物在月球的自然生長(zhǎng)。

隨著科技的進(jìn)步和月球探測(cè)任務(wù)的持續(xù)深入，未來(lái)在月球上“種菜”的確有了更為接近的可能性，并幫助我們實(shí)現(xiàn)能源開(kāi)發(fā)利用、行星研究以至人類在太空中的生存和發(fā)展開(kāi)辟新的道路。

專家：劉勇 中國(guó)航天科普大使、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員、中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)主任

審核：金士鋒 中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心副研究員

出品：科普中國(guó)

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