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

水在月球的形成和演化過程中起著至關(guān)重要的作用，也是人類在月面活動的潛在可利用資源。如今，月球上的水受到人們越來越多的關(guān)注。在未來的五年里，許多任務將集中在月球水的探測上，比如美國航空航天局的“月球開拓者”號軌道器和VIPER月球車、中國的“嫦娥七號”和“嫦娥八號”等，甚至一些商業(yè)公司也已經(jīng)加入其中。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所魏勇研究員等人在《中國科學院院刊》2024年第5期發(fā)表了題為“深空探測科技制高點上的新焦點：月球水資源”的科學觀察文章，指出月球水不僅能夠幫助揭示地月系統(tǒng)乃至太陽系形成演化的關(guān)鍵過程，也是行星科學研究的前沿和學科建設的重要著力點；月球水資源的開發(fā)能夠為未來的深空探測任務提供燃料和保障人類在月球上長期生存，是各國各機構(gòu)擴展深化國際合作、共同利用地外資源造福人類的必然選擇。

過去幾十年的探測，從實驗室的月壤樣品分析到衛(wèi)星遙感觀測再到月面就位測量，多種證據(jù)已經(jīng)確認月球上存在水。通過對有限數(shù)量的月壤顆粒的氫同位素測量，已經(jīng)找到了水來自月球內(nèi)部、太陽風注入和小行星/彗星撞擊等多來源的證據(jù)，從而增加了月球水源問題的復雜性。如何更具統(tǒng)計意義的表征月壤水的主要來源，并能更好的代表月面的真實情況，仍是一個待解決的問題。

嫦娥五號樣品最適合做這個研究。一方面，嫦娥五號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，可與樣品的實驗室測量和衛(wèi)星遙感觀測建立關(guān)聯(lián)，評估不同方法的有效性和代表性。科學家對有限的月壤顆粒進行了分析，但是否能夠準確代表著陸點的區(qū)域情況并與遙感觀測進行比較仍未可知。因此，分析大量樣品對于獲得更具代表性的理解至關(guān)重要。與之前的任務（即Apollo和Luna）相比，嫦娥五號月壤來自更高的緯度，水含量更具有光譜可測量性。因此，我們在隔絕大氣環(huán)境的手套箱里對大量的嫦娥五號月壤進行了光譜測量，來確定水的含量（圖1）。

圖1 嫦娥五號采樣區(qū)和返回樣品在實驗室的光譜測量

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。太陽風注入到月壤中的水顯示出與比表面積的相關(guān)性，而來自月球本身或彗星的水卻沒有。因此，通過比較嫦娥五號月壤細粒和粗粒部分的含水量，可以表征月球風化層中水的主要來源。結(jié)果表明，月壤的細粒部分的水含量更高，指示太陽風注入是月表水的主要來源，這一發(fā)現(xiàn)為月壤中水的主要來源提供了統(tǒng)計證據(jù)（圖2）。實驗室、月表原位和衛(wèi)星遙感光譜的月壤水測量結(jié)果非常一致，說明該項研究的結(jié)論能夠很好的代表月面的真實情況。

圖2 嫦娥五號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，篩選月壤最細的部分進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的資源，其原位利用可以為人類月面活動和支撐人類走向更遠的深空提供支持。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，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重要課題，本項研究成果表明篩選月壤最細的部分進行水的提取會更有效率。

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，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（點擊左下角“閱讀原文”跳轉(zhuǎn)到原文網(wǎng)頁）

編輯：劉強