行星科学：月球上的水

（周春银 翻译；原文作者：David J. Lawrence；资料来源：Nature Geoscience）

《Nature Geoscience》原文链接：http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n9/full/ngeo1251.html

第一份阿波罗样品显示地球的唯一卫星是完全干燥的。但现在的太空飞船数据以及改进后的分析技术则指示月球比先前所认为的要更富集挥发分、更复杂。

我们对月球上的水和其他挥发分组分的认识在过去的10-15年中发生了巨大的变化。随着先进的月球太空探测计划的进行以及用于研究月球样品的新实验分析技术的运用，“月球上的水”已经不再是一个矛盾事物（oxymoron）。2011年六月在休斯敦月球和行星研究所举行了“A Wet vs. Dry Moon”研讨会（1），行星学家总结道，水和挥发分是曾经的也是现在的月壳环境中的重要成分。

大量的研究说明阿波罗月球样品几乎是不含有任何挥发分，从而使我们认为月球是在和地球的大碰撞中形成的（2）。这一撞击产生了巨大的热量，使得包括月球内部在内的挥发分蒸发消失在宇宙中。但是，即使月球在很早以前就失去了它自身的水，随时间推移它可能仍会从太阳系中的其他地方收集到水和氢。例如，冰彗星可能会将水带到月球，氢原子可能会通过太阳风沉积在月球表面。因此认为挥发分物质可能会在月球的永久阴影极区累积起来，在这些地方一般来说它们可以存储地质时期时间记录而没有太大的损失（3，4）。

红圈：Fresh craters；绿圈： Anomalous craters

Figure 1 | Water ice at the lunar north pole. The Moon has long been thought to be dry. Presentations at a meeting on A Wet vs. Dry Moon in Houston (1), along with earlier publications, now suggest that the body is much more rich in volatile elements than previously thought. In particular, abundant deposits of water ice have been identified in permanently shaded craters (green circles) at both lunar poles using radar reflection data. Measurements of circular polarization ratio (CPR) allow the water contents of the Moon’s polar regions to be estimated. Green arrows indicate example craters with high CPR that coincide with locations of enhanced hydrogen content determined by spatially deconvolved neutron data (18).

关于氢在极区聚集的预测后来证明是正确的。1998年绕月探测飞船利用中子光谱仪测量了月球表面的元素丰度。这些绕月中子测量为氢的聚集提供了强有力的证据，并推测月球两极都有水存在（5）。随后来自NASA月球轨道探测器和印度太空研究署月球飞船一号的雷达反射数据显示，月球北极永久阴影坑中含有大约6亿立方米的水（6）（Fig.1）。当2009年10月阿特拉斯5号运载火箭的空Centaur段坠入Cabeus坑时，NASA的Lunar Crater Observation and Sensing Satellite（LCROSS）在一个排出物质的细流中发现了许多挥发性物质，说明了月球南极挥发分的存在（7）。更惊讶地是，反射轨道测量已经在非极地地区发现了广泛的表面水和羟基（8-10）。

在分析这些新的轨道数据的同时，对阿波罗样品中挥发分物质的复查工作也已经展开。分析技术的改进使得对非常小的月球样品颗粒的高灵敏度同位素测量成为可能。这些分析表明，曾经被认为是干的的阿波罗样品中存在水（11-15）。此外，许多样品还保留了月球深部的信息，指示月幔可能比原先认为的含有更多的水。

这些新的数据产生了许多与月球形成、演化和目前环境相关的问题。例如，目前并不清楚月球上有多少水，尤其是在极地地区，何种因素控制着挥发分及其来源的分布。

在“A Wet vs. Dry Moon”研讨会（1）上，与月球上的水和挥发分相关的过程的认识观点非常复杂，还没有认识清楚。来自月球内部或者太阳系其他地方的水，可以在月球表面逐渐运移到永久阴影极区，经过数百万年时间存储在较冷的极地。来自极地的挥发分甚至可能会被运移到更靠近赤道的地方（W.M. Farrell, NASA Goddard）。至少，现在已经清楚了挥发分在月球表面和内部是不均匀分布的。

根据月球飞船一号的光谱测量得到的月球上水和羟基分布图显示它们的分布非常具有多样性。例如，月球表面的部分较新的坑显示很高的含水量，而附近部分较新的坑则显示没有。相似的结果在古老的坑中也被观测到。此外，广泛分布的暗色的玄武岩似乎比周围浅色的月球高地含水少，说明水含量可能与不同的地质区域有关（N.E. Petro, NASA Goddard）。

极地地区包含了大部分近地表月球水。对月球表面的改进地形测量显示，有比先前所认为的大多的极地永久阴影区存储水（E. Mazarico，MIT）。由Diviner Lunar Radiometer Experiment所进行的热发射和太阳能反射连续填图显示，在极地最冷的地区，温度可以低至38 K以下，主温度可能会骤降到23 K以下（D.A. Paige，UCLA）（16）。因此，极地可能会在永久阴影区保留大量的水，在足够冷的温度条件下在相当长的时间里将冰水存储起来。但是，厚厚的冰水沉积的增长在极冷条件下会受到抑制，由此会阻止冰水在某些地区的形成（B.G. Bills，NASA JPL）。

极地温度和光照的空间分布与前人的研究（5）和最近（W.V. Boynton, Univ. Arizona）（17）对极地氢分布的中子测量结果并没有明显的相关性；而且根据轨道中子数据和LCROSS数据所得到的氢聚聚程度也存在明显的不一致（R.C. Elphic，NASA Ames）。以上结果说明有现在的温度和光照以外的因素在影响着极地挥发分的空间分布。另外，在比中子数据更小的空间尺度上氢的分布可能是不均匀的（D.M. Hurley, JHUAPL）。尽管对这些环境因素和不均一性还不是十分清楚，但是它们可能包含着复杂的相互作用，这些作用发生在经历过临时的光照但仍具较低下地表温度的区域（D.A. Paige，UCLA），以及相伴随的月球倾斜度的长期变化，它改变了月球的极地环境（B.G. Bills，NASA JPL）。

在月球表面所观测到的大部分水和挥发分很可能是来源于太阳系物质。但是，也有部分可能是来自月球本身在岩浆活动中从月球内部的脱气作用。例如，原始数据显示月球花岗岩颗粒可能存在水的蚀变（T. Monecke，CSM）。花岗岩颗粒显示了与地球上发现的经水蚀变过的花岗岩相类似的稀土元素地球化学特征，说明来自月球内部的水在花岗岩形成之后不久可能会蚀变花岗岩。比先前所认为的更多的挥发分在月球形成之后可能被保存在月幔中（A.E. Saal，Brown Univ.），脱气产生的挥发分为月球极地的挥发分提供了另外一个来源（E.H. Hauri，CIW）。

月球内部可能含有大量挥发分，使得我们原来简单的通过大碰撞而形成月球的认识更加复杂化（G.J. Taylor，Univ. Hawaii），大碰撞成因则认为月球是无水的。因此，关于月球大碰撞成因的新的研究需要重新估计月球上的挥发分含量（D.J. Stevenson,CIT）。

仍然有另外的方法来测量阿波罗月球样品的挥发分含量。令人感兴趣地是仍有可能会保留月球挥发分的密封的阿波罗样品容器和岩心（G.E. Lofgren，NASA JSC）。随着对月球挥发分研究兴趣的日益增长，应该制定计划和预算来确定用最好的保留挥发分组分相关信息的方法来研究这些珍贵的样品。在未来科学和人类探索中，月球会比10-15年前所认识到的含有更多的挥发分资源。因此，需要坚持不懈的努力来认识如何在未来探险中（包括机器人的和载人的）利用这些资源。

“A Wet vs. Dry Moon”研讨会再次表明，先进的测量将会带来令人激动和意外的发现。对于月球，我们现在发现它越来越复杂的环境和历史，其中包括重要组分水和挥发分。挥发分的作用我们现在还只是刚刚开始认识。

（参考文献见原文）

Workshop on “A Wet vs. Dry Moon”网站地址：http://www.lpi.usra.edu/meetings/volatiles2011/

你可以直接下载workshop中的Powerpoints：（如下pdf格式，另存为）