過去20年，科學家在月球表面發(fā)現(xiàn)了許多存在水的證據。有科學家猜想，月壤深處存在含水層，驅動著整個月球的水循環(huán)。那么，月球上的水從哪里來？儲存在何處？

現(xiàn)在，中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）研究員胡森、南京大學地球科學與工程學院教授惠鶴九等科學家合作發(fā)現(xiàn)，撞擊玻璃珠可能是月球的“迷你水庫”—— 一噸玻璃珠中平均可含一斤水。相關研究成果近日發(fā)表于《自然-地球科學》。

“我們的研究證明撞擊玻璃珠可能是一個新的月球儲水物質，支持了月表水循環(huán)的猜想，也解釋了像月球一樣沒有大氣的小行星上水的潛在來源。”論文通訊作者胡森對《中國科學報》說。

(相關資料圖)

隨著對月球探測的日益推進，研究者認為，通過大量玻璃珠提取水前景可期。

一個意外的發(fā)現(xiàn)

2021年冬季的一天，地質地球所地球與行星物理重點實驗室博士生何會存用納米離子探針檢測嫦娥五號月壤樣品中的撞擊玻璃珠時發(fā)現(xiàn)，珠內的水豐度從外至內逐漸遞減，形成“環(huán)帶特征”。

她把這個結果提交給導師胡森。胡森的第一反應是“不敢相信”。

很快，胡森把消息告訴了惠鶴九。盡管二人對月球樣品都很熟悉，但這位合作伙伴的反應和他一樣：“會不會是實驗錯了？”

從月球到火星乃至更遙遠的其他行星，尋找與“水”相關的線索一直是科學家研究行星歷史和生命宜居性的一個出發(fā)點。

目前，研究表明月表雖然有水，但含量低，且呈動態(tài)變化。例如，月表水含量僅為10~1000ppm（即一噸月壤中含有0.01千克~1千克水）。同時，其高緯地區(qū)水含量明顯比低緯地區(qū)高，極區(qū)可能存在水冰。月表水含量呈現(xiàn)出與月球晝夜相關的變化，相同位置晨昏時刻的水含量明顯比中午高。

盡管月球幾乎沒有大氣，但月表同樣存在水循環(huán)現(xiàn)象。

美國宇航局（NASA）月球大氣與塵埃環(huán)境探測任務曾檢測到，月球空間環(huán)境中的水分子逃逸時間與流星雨事件相關。但經計算，流星雨的輸入水量明顯小于月球空間的水逃逸量，NASA科學家推測流星雨撞擊月球時會把月壤中儲存的一部分水蒸發(fā)到月球空間導致逃逸，并提出了月表水循環(huán)猜想。該猜想認為，月表10厘米到3米區(qū)域或存在未被發(fā)現(xiàn)的儲水層。

然而，近年來，包括胡森在內的國內外很多人對月球不同礦物或組分的研究都不支持這一假設。“這些礦物中的水含量極少。”胡森對《中國科學報》說，此前他與合作者發(fā)現(xiàn)嫦娥五號月球玄武巖中的全巖水含量僅為62~133ppm。

那么，月表水循環(huán)猜想究竟是否成立？月壤中是否存在未被發(fā)現(xiàn)的儲水物質？

胡森與合作者嘗試用撞擊玻璃珠回答這個問題。撞擊玻璃珠是太空中的隕石、小行星等撞擊月球后熔融月表的土壤和巖石，熔體濺射形成液滴冷卻后形成的。它們有的內部成分單一，有的含有氣泡、金屬、硫化物等不同成分。嫦娥五號和阿波羅任務中返回的月壤中含有巖石、礦物碎片、火山玻璃珠、撞擊玻璃珠等不同成分。此前撞擊玻璃珠中的水豐度尚未被詳細研究。

初步結果完全超出了他們的預期——玻璃珠內水豐度的“環(huán)帶特征”說明它很可能來自太陽風。

為了驗證這一結果，他們一遍遍反復實驗，接連從110多個月壤玻璃珠中選取表面光滑、化學成分與月球玄武巖一致的32個玻璃珠，通過掃描電子顯微鏡、離子探針和拉曼光譜等多種方式進行測試后發(fā)現(xiàn)，結果和最初一致。

他們發(fā)現(xiàn)，玻璃珠的水豐度較之月壤巖屑更高，最高近2000ppm。“這相當于一噸樣品中約有兩公斤水。”胡森解釋說。

“打通”月球水循環(huán)鏈條

關于月表水的來源，科學家有很多猜想。例如，太陽風攜帶的氫離子注入月表礦物，月球早期形成時含水并保留至今，彗星和小行星撞擊月球時攜帶而來。

事實上，無論是巖漿活動還是撞擊天體（攜帶水源），都可能通過高溫熔融形成撞擊玻璃珠。研究者如何憑借“環(huán)帶特征”確定撞擊玻璃珠中的“水”來自太陽風呢？

對此，惠鶴九向《中國科學報》解釋說：“通常，通過高溫熔融形成玻璃珠時‘水會向外跑’，因此玻璃珠內更可能出現(xiàn)水豐度‘里高外低’的情況。”

同時，作為元素周期表中質量最輕的氫，科學家可以通過鑒定其同位素（氕、氘、氚）特征識別其來源。通過對玻璃珠內氫同位素進行檢測，研究人員發(fā)現(xiàn)其與太陽風的氫同位素組成一致，且為極端貧氘。

這些現(xiàn)象使得他們推測撞擊玻璃珠或能驗證月表水循環(huán)猜想：過去數十億年里，在隕石或小行星撞擊作用在月表形成玻璃珠后，太陽風中的氫離子源源不斷到達月球并注入表層的玻璃珠中，形成月球水的來源，維持著月球表面的水循環(huán)。

“撞擊玻璃珠主要成分是硅酸鹽，就像海綿一樣。氫注入其中可能會與氧結合形成水，也可能在其他條件下被釋放出來。”胡森解釋說，他們也發(fā)現(xiàn)有些玻璃珠在后期甚至經歷過一定程度的撞擊或加熱事件，導致水含量剖面疊加了一次去氣過程。

數十億年來，太空天體撞擊帶來的“翻耕作用”讓月壤中普遍存在撞擊玻璃珠（含量約為3~5vol%）。研究者估計，月壤中撞擊玻璃珠所承載的水量可達到2.7×1014千克。“這遠比地球四大洋的水儲量（約1×1021千克）低，但相對來說是挺可觀的。”胡森說。

根據這些結果，他們認為，這些直徑相當于頭發(fā)絲粗細的撞擊玻璃珠（約30~150微米）是月球表面土壤中的主要水庫，但不包括月球兩極的冰。

胡森等供圖

玻璃珠取水前景可期

下一步，如果宇航員常駐月球，是否可以直接“就地取水”？

惠鶴九表示，通過大量玻璃珠提取水具有前景，但這種水與地球上通常看到的水不同，玻璃珠中的水主要以羥基（-OH）形式存在，如何開發(fā)利用仍需進一步研究。

審稿人認為這項研究十分有趣，且提出了重要的新發(fā)現(xiàn)。“1972年，一項研究曾報道了揮發(fā)性元素向內擴散的現(xiàn)象，但一直以來尚未報道過撞擊玻璃珠內水的發(fā)現(xiàn)。作者通過一組全面的分析有力證明了羥基存在。”一位審稿人寫道。

此外，隨著探測能力的提升，科學家發(fā)現(xiàn)越來越多無大氣的天體表面可能存在水，例如灶神星、水星等。研究者表示，這項研究對于了解這些行星低緯度地區(qū)水的來源和成因有重要啟示。

“后續(xù)更深入的精細研究，例如無大氣天體表面水的來源、保存、遷移機制等，對未來深空探測任務原位水資源利用的方案設計和提取策略等都有重要參考價值。”胡森說。

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