中秋節，談談月球上的水。

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作者：楊宜修

校對：劉海牧? 尹天任

審閱：李宜驊

美編：周英杰

古往今來，從遙遠的月宮傳說，到如今的月球基地，月球，是人們興久不衰的話題。對于大部分中國人來說，嫦娥奔月和吳剛伐桂等神話故事從童年就深深根植于文化語境之中。早在周代，人們已有祭月的習俗。“中秋”一詞最早出現于戰國時期典籍《周禮》中，“龠章：掌土鼓、豳龠。中春晝，擊土鼓、吹《豳》詩，以逆暑。中秋夜，迎寒亦如之。”用白話文說就是，籥章掌管擊土鼓和吹豳籥。春二月，白天敲擊土鼓，吹奏豳詩，以迎接暑氣的到來。秋八月，夜間迎接寒氣的到來也這樣做。“籥章”是周代的官職名稱，隸屬于“春官宗伯”（相當于后來的禮部）。這個官名的兩個字就概括了其主要工作。籥，是一種古老的管樂器，類似笛或排簫，是籥章的主要工作工具；章，則指樂章、詩章。所以，“籥章”簡單來說，就是周朝王室主要負責演奏土鼓、吹奏籥器、吟誦《詩經·豳風》詩篇以配合農時、舉行祭祀祈福儀式的禮官。在當時，中秋還不讀中秋，讀仲秋。讀中秋要到大約1000年后的唐朝了。古代天子祭拜日月的活動稱為“朝日、夕月”，意思就是在春分朝日，秋分夕月。對此，有一些唯美的記載留存至今，比如《大戴禮記》和賈誼《新書》所述“三代之禮，天子春朝朝日，秋暮夕月。”

陳洪綬：宣文君授經圖，繪于1638年，現藏于美國克里夫蘭美術館。

圖片來源：維基百科

說完古代有關中秋的一些知識，咱們進入正題，講講水與月球吧。人們從遙遠的時代就開始好奇，月球到底是怎樣的，上面長什么樣；甚至創造了諸如玉兔、嫦娥、廣寒宮等故事和美好遐想。另一方面，水作為萬物之源，則是生活不可或缺的部分。然而，一直到進入21世紀以后，隨著探月技術與遙感手段的進步，人們才真正開始探究月球有沒有水、在哪有水以及如何開采的問題。那么，你有沒有好奇過，月球上的“水”究竟是怎樣的？和我們所居住的地球上的水有哪些不同？把月球水“轉接”到地球人手里，我們能像利用地球水源一樣利用月球水源嗎？更關鍵的一點——你知道在月球上，水包括但不等于液態水嗎？這一切都有什么有趣知識？本期，我們就借著中秋，帶你一探究竟。

上圖展示的是印度“月船1號”（Chandrayaan-1）探測器上的“月球礦物成分繪圖儀（M3）”所得結果。

左圖顯示月球表面的紅外反射率，右圖在同一區域用藍色標出檢測到的水分子吸收特征的強度，藍色越深表示該區域含水（或含羥基 OH）信號越強。這張圖常被NASA和印度空間研究組織（Indian Space Research Organisation）用來說明“首次確認月球表面存在水分子”的證據。

圖片來源：維基百科

月球上的“水”

在月球的科學語境中，“水”一詞并不像在地球上一樣，主要基本是指對自由液態水的統稱。在月球上，常見的四類水形態包括：

1. 分子水（H?O）：這是真正的水分子，可被光譜探測（如 6 μm 基頻）。

2. 氫氧基 / 羥基（OH）：氧-氫結合形態，通常與礦物中的金屬離子結合，屬于“化學結合水”的一種。

3. 水合礦物 / 含水鹽 / 吸附水 / 結構水：水分子或羥基被束縛在晶格或礦物結構中（例如水合鹽），或者被吸附在顆粒表面、微孔中。

4. 冰 / 固態水：尤其在極地陰暗處，“純”冰或混雜冰—塵混合物的形態。

月球冷阱中水冰與月壤可能的混合形式。

圖片來源：中國空間科學學報

分布規律是什么？在哪里更可能有水？

根據2023年《科學》等雜志的研究，在月球兩極，某些隕石坑深處的地形幾乎終年不見陽光，這些區域稱為極地永久陰影區（PSR），溫度極低，可長期穩定保存冰。2009－2010年，NASA的LCROSS任務以撞擊方式探測月球南極的Cabeus暗坑，發現拋射物中含有水、冰以及揮發物，水含量估算在較高水平。這一結果，是迄今為止最直接的“月球冰”證據之一。但要說明的是，PSR不一定是“冰塊巨坑”，其化學組份可能混雜了塵冰或細小顆粒冰。

其次，與陰影區相對的是日照區 / 非極區。雖然日照區不能穩定存在大塊冰，但空中紅外天文臺（SOFIA）的探測結果表明，有微量分子水以ppm（百萬分之一）的級別存在。這些水可能藏在玻璃質顆粒、顆粒間隙或陰影保護的位置。

根據德國斯圖加特大學的研究，水信號經常與地形坡度、朝向、陰影覆蓋等因素相關。舉例來說，坑壁面向陰影的面積、陰坡后背、陡崖下方等區域都可能稍微聚水。同年，NASA旗下的大學空間研究協會（USRA）發表的文章表明，在月球南極附近繪圖中，某些高地山脊和隕坑壁側面都比平原更“濕”。

從上述規律出發，未來如果選址月球基地或者水資源開采區，很可能是日照條件合理并接近永久陰影區的位置。

月球極區的平均光照情況（百分比）。

圖片來源：深空探測學報

如何把月球上的水“開采”成可用資源？

這一環節是技術與工程的核心，通常來說，要判斷一個地方值不值得開采，需要綜合運用多種探測方法，比如使用遙感/光譜/熱紅外探測方法用于判斷水的吸收特征與空間分布，雷達/微波探測則可判別冰塊反射特性與結構。除此之外，研究人員也用日照模型模擬晝夜溫度、陰影覆蓋和熱傳導情況，以評估水的穩定性；用坡向、坡度、坑壁幾何、隕石覆蓋等地貌作為輔助和優選因素。最后，他們會用樣品返回的方式驗證地下結構、水含量和可提取性。

在月球極端環境下，把冰或者微量水轉變為可用的液態水、氧氣和氫氣，需要克服不少挑戰，大多涉及物理、熱力、動力與材料。現有的幾種主流思路包括熱釋放、熱挖掘、電解水＋氫氧分離與金屬還原＋水/冰混合開采。

拿熱釋放來說，方法手段是在冰區進行加熱以使水蒸氣釋放，然后補集。但這個方法的缺點也不容小覷，能耗高并且可能損失揮發物，的可能使得讓這種方法實行起來非常困難重重。熱挖掘，字面意思，非常直接，。就是機械工具挖掘有冰的土壤后再集中加熱處理。至于電解水＋氫氧分離，則是如果將獲得的水或者水蒸氣電解，可以分出氧氣與氫氣，用于生命支持和推進劑。

最后，在沒有大量冰區的日照區，可以采用還原月壤中的氧（比如，從氧化物中釋放氧）與氣體反應來生成水或燃料。這類方法通常和純水開采互為補充。在一項由國家科學期刊（National Science Review）發表的研究中，研究人員已將嫦娥五號月壤用于 CO? 電催化反應生成 CH? 與 O?。此外，在月面操作人員極其有限的條件下，自動機器人系統得擔當不少重任：挖掘、加熱、采樣、催化、電解、材料搬運……

月球不同時期巖漿-熱演化示意圖。

圖片來源：中國科學院地質與地球物理研究所

里程碑時間線

16世紀的時候，達·芬奇在其著作《萊斯特手抄本》中試圖解釋月球的光度，他假設月球表面被水覆蓋并反射太陽光。在他的模型中，水面上的波浪使光線向多個方向反射，這解釋了為什么月球不如太陽明亮。

1834 年至 1836 年，威廉·比爾 (Wilhelm Beer)和約翰·海因里希·馬德勒 (Johann Heinrich M?dler)出版了四卷本的《月球地圖》 (Mappa Selenographica) ，并于 1837 年出版了《月亮》一書。他們認為，月球表面沒有水體，也沒有任何可察覺的大氣層。

威廉·比爾和約翰·海因里希·馬德勒出版的《月球地圖》 (Mappa Selenographica)。

圖片來源：網絡

阿波羅計劃、露娜24號、克萊門汀、月球勘探者……20世紀的月球觀測計劃可謂百花齊放。1961年，加州理工學院的研究人員肯尼斯·沃森、布魯斯·C·默里和哈里森·布朗首次提出了月球極地隕石坑底部可能存在冰的可能性。地球雷達測量被用來識別永久陰影區，這些區域可能蘊藏著月球冰：估計北緯 87.5 度以南極地區陰影區的總面積分別為1030平方公里和2550平方公里。隨后，研究人員對更多地形進行了計算機模擬，結果表明，可能有多達 14000平方公里的區域處于永久陰影中。

在阿波羅宇航員采集的月球巖石樣本中，他們發現了微量的水。最初人們認為這由污染造成，因為月球表面的大部分地區通常被認為是完全干燥的。然而，2008 年的一項月球巖石樣本研究發現了水分子被困在火山玻璃珠中的證據。

2009年，月球礦物測繪儀（Moon Mineralogy Mapper）等發現月表在 3 μm 波段有水/氫氧基吸收特征，暗示月壤可能含有 OH 或 H?O。2020年，SOFIA（空中紅外天文臺）使用 FORCAST 儀器在 Clavius 隕石坑等地測得 6 μm 波段發射特性，對應分子水信號。估算水含量約為 100–400 ppm級別。基于 SOFIA 的多次觀測，科研團隊繪制了南半球高緯度月面的水分布圖，發現山脊陰側等局部地形處水豐度略高。在這些圖中，出現了“濕脊”（wet ridge）這個概念。

同年，我國嫦娥五號成功帶回約1731克的月壤樣品。科學家隨后在樣品中檢測到水/氫氧基信號，并估算每噸月壤中含水量約為百克級別。2025年的一篇綜述指出，每噸月壤約含 120 g 水，每噸月巖約含180g水。此外，嫦娥五號還開展高光譜成像探測，以識別 OH / H?O 分布。

嫦娥五號月壤樣品。

圖片來源：中國科學院

任務前瞻播報

1. NASA VIPER在2024年被取消后，2025年改由貝索斯所創立的航天公司藍色起源（Blue Origin）承擔潛在運送任務的預研工作。是否真正復活仍取決于后續評審與經費。

2. 2024年，IM-1（Intuitive Machines）登陸近南極區域，推進南極就位技術驗證。

3. 嫦娥七號目標計劃2026 年左右進行南極水冰勘查/跳躍探測。這是面向國際月球科研站（ILRS）的長期建設藍圖。

常見誤區

Q

都發現水了，那是不是可用冰遍布各地？

并非如此。日照區多為ppm級分子水，不可與極地永久陰影區的坑底冰一概而論。

A

Q

雷達亮？那一定有水？

并非如此。雷達亮也可能是粗糙塊體和幾何效應導致的。

A

Q

永恒峰就是真的永恒日照之地嗎？

并非如此。只是日照率高、季節變化明顯。

A

Q

參考資料

1. 維基百科

2. Nature期刊

3. Science期刊

4. NASA Science

5. University of Stuttgart: SOFIA maps water on the moon, March 17, 2023

6. USRA Newsroom

7. Frontiers

8. National Science Review: In situ resource utilization of lunar soil for highly efficient extraterrestrial fuel and oxygen supply, September 23, 2022

9. 周禮白話文翻譯來源：古詩文網

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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“名到用時方恨少”

圖片來源：Reddit

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