李雄耀，魏廣飛，曾小家，李 陽(yáng)，唐 紅，劉建忠，姜生元，鄒 猛，馬繼楠，王 儲(chǔ)，賀懷宇，鄭萬(wàn)平，CLOUTICS Edward

（1. 中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所，貴陽(yáng) 550081；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，哈爾濱 150001；3. 吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130021；4. 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094；5. 中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；6. 盧森堡航天技術(shù)有限公司，盧森堡；7. 溫尼伯格大學(xué)，溫尼伯格 R3B 2E9）

引 言

月球是距離地球最近的天體，也是迄今人類(lèi)開(kāi)展探測(cè)次數(shù)最多且最為全面的太陽(yáng)系天體。通過(guò)遙感、無(wú)人和載人探測(cè)，科學(xué)家獲得了大量的探測(cè)數(shù)據(jù)和返回樣品?！版隙鹞逄?hào)”任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)月球無(wú)人采樣返回。月面探測(cè)活動(dòng)和采樣點(diǎn)集中分布在月球中低緯度區(qū)域，而月球極區(qū)，尤其是永久陰影區(qū)至今還未開(kāi)展過(guò)無(wú)人或載人的月面探測(cè)活動(dòng)。陰影區(qū)長(zhǎng)期沒(méi)有光照[1-3]，科學(xué)家無(wú)法直接獲取其表面光學(xué)影像，或利用月球軌道在特殊的位置處撞擊坑底部，接收坑壁散射光獲取影像來(lái)分析水冰的分布特征[4]。這也是吸引世界各航天大國(guó)紛紛制定極區(qū)探測(cè)任務(wù)的主要原因之一。

從美國(guó)發(fā)射“克萊門(mén)汀號(hào)”（Clementine）探測(cè)任務(wù)開(kāi)始，科學(xué)家將目光瞄準(zhǔn)了月球極區(qū)，搭載的雙基地雷達(dá)獲取的永久陰影區(qū)回波信號(hào)發(fā)現(xiàn)了水冰的存在[5]?！霸虑蚩碧秸咛?hào)”（Lunar Prospector，LP）[6]、“月船一號(hào)”（Chandrayaan-1）[7]、“月球勘測(cè)軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）[8–10]和“月球觀測(cè)和傳感衛(wèi)星”（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS）[11]分別采用不同的載荷和手段對(duì)月球永久陰影區(qū)水冰開(kāi)展探測(cè)并取得了一定的認(rèn)識(shí)。但水冰在月壤中的分布特征和賦存狀態(tài)仍是未知的問(wèn)題，為此美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）啟動(dòng)了繼“阿波羅”（Apollo）載人登月任務(wù)后的“阿爾忒彌斯”（Artemis）探測(cè)任務(wù)，計(jì)劃于2024年對(duì)月球南極開(kāi)展載人探測(cè)。“揮發(fā)物調(diào)查極區(qū)探索巡視器”（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）計(jì)劃于2023年著陸到南極Nobile撞擊坑（85.2°S 53.5°E），對(duì)坑緣西側(cè)開(kāi)展水和其它資源的探測(cè)。印度空間研究組織（Indian Space Research Organisation，ISRO）和日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace eXploration Agency，JAXA）計(jì)劃聯(lián)合針對(duì)月球南極開(kāi)展無(wú)人探測(cè)。歐洲航天局（European Space Agency，ESA）將與俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roscosmos）合作發(fā)射Luna 27任務(wù)，探測(cè)月球南極地區(qū)的水冰。中國(guó)也正在規(guī)劃月球南極探測(cè)任務(wù)，擬對(duì)南極月壤和揮發(fā)分（包括水冰）開(kāi)展無(wú)人探測(cè)[12-13]。

遙感探測(cè)獲取的信息，包括地形地貌、元素成分、礦物組成、水的分布、表面光照條件和熱環(huán)境等。但科學(xué)家對(duì)水冰在月壤中的分布形式、賦存狀態(tài)、儲(chǔ)量等仍沒(méi)有定論，目前分別從理論模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、遙感探測(cè)等不同方面解釋了永久陰影區(qū)水的來(lái)源，即月球內(nèi)部去氣、太陽(yáng)風(fēng)作用、含水流星體和彗星撞擊[14-19]，但每種機(jī)制對(duì)永久陰影區(qū)水儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)以及在過(guò)去幾十億年中水的演化機(jī)制仍不明確。

與遙感探測(cè)相比，月面無(wú)人探測(cè)通過(guò)原位采樣分析可準(zhǔn)確獲取極區(qū)物質(zhì)的成分、元素及同位素信息，尤其是永久陰影區(qū)內(nèi)的水和其它揮發(fā)分。這對(duì)研究月球內(nèi)部物質(zhì)演化、水的來(lái)源、早期太陽(yáng)系氫氧同位素組成等具有重要的科學(xué)意義[20-22]。通過(guò)月面的巡視探測(cè)、鉆采取樣等可準(zhǔn)確詳細(xì)地獲取永久陰影區(qū)內(nèi)水冰在月壤中的分布形式和賦存狀態(tài)，對(duì)研究水的演化機(jī)制具有重要作用并對(duì)工程上如何實(shí)現(xiàn)開(kāi)采、提取和利用水資源具有重要的指導(dǎo)意義。

本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外關(guān)于極區(qū)月壤和水冰探測(cè)方面的研究成果，從理論研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、樣品分析和遙感探測(cè)，系統(tǒng)地梳理了極區(qū)的地質(zhì)和環(huán)境特征、月壤和水的演化機(jī)制、月壤的基本物性（力、熱、電）及制備模擬月壤的參考規(guī)范。

1 極區(qū)地質(zhì)和環(huán)境特征

1.1 極區(qū)地質(zhì)特征

月球的地質(zhì)可粗略描述為月球早期表面是巖漿洋，隨著巖漿的冷卻斜長(zhǎng)石最先結(jié)晶并上浮，逐漸冷卻堆積形成月球高地。大撞擊事件形成了大型的撞擊盆地，后期玄武巖、巖漿進(jìn)一步充填盆地。隨后的流星體持續(xù)轟擊引起局部的月海和高地物質(zhì)混合。經(jīng)過(guò)幾十億年的撞擊作用，月表基巖逐漸被破裂粉碎形成月壤[23]。月球沒(méi)有大氣，月表晝夜溫度變化幅度很大，巖石的熱疲勞作用也會(huì)加速月壤的形成[24]。太陽(yáng)風(fēng)粒子、宇宙射線和微隕石的撞擊是月壤性質(zhì)改造的重要過(guò)程。太陽(yáng)風(fēng)注入的H、He等氣體或離子，改變了月表礦物的晶體結(jié)構(gòu)及光譜性質(zhì)，并帶入了外來(lái)的成分；微隕石轟擊（平均速度大于15 km/s）主要產(chǎn)生顆粒局部熔融和濺射，改變顆粒表層結(jié)構(gòu)特性[25]。

月球北極和南極大部分區(qū)域均為高地，與中低緯度的高地在地形地貌、巖石成分等方面并無(wú)明顯差異，推測(cè)月球極區(qū)主要分布著最早結(jié)晶的古老斜長(zhǎng)巖，其形成的月壤亦以斜長(zhǎng)質(zhì)為主。太空風(fēng)化對(duì)月壤的成熟度和礦物微觀結(jié)構(gòu)的改造作用明顯。月球南極區(qū)域最明顯的地質(zhì)特征是具有太陽(yáng)系最大的撞擊盆地，即南極艾特肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地。SPA形成于月殼固結(jié)之后，年齡在3.9～4.3 Ga。SPA盆地巨大（直徑2 500 km，深度達(dá)12 km），其撞擊過(guò)程中可能挖掘出了大量的月殼物質(zhì)甚至上月幔物質(zhì)，范圍覆蓋了Shackleton撞擊坑[26]。

1.2 極區(qū)表面環(huán)境特征

1）光照特征

相比中低緯度區(qū)域，極區(qū)受到的地形遮擋顯著，光照條件復(fù)雜。因?yàn)樵虑虺嗟榔矫嫦鄬?duì)黃道平面的傾角僅1.54°，越靠近極點(diǎn)太陽(yáng)的入射角越接近90°。在靠近撞擊坑底部的區(qū)域光線始終（18.6 a章動(dòng)周期）被遮擋從而形成永久陰影區(qū)[1-2]。小至微隕坑，大到幾十千米的撞擊坑都可形成永久陰影區(qū)。

Clementine首次獲取了覆蓋全月的地形數(shù)據(jù)，Margot等[27]采用光線示蹤法首次計(jì)算并繪制了南極的光照率。“月亮女神”（Kaguya）探測(cè)器獲取了全月高分辨率地形數(shù)據(jù)，Noda等[28-29]同樣采用光線示蹤法計(jì)算了月球極區(qū)的光照率并給出了永久陰影區(qū)的分布范圍。LRO上搭載的激光高度計(jì)獲取了覆蓋月球極區(qū)的高精度（10 m）地形數(shù)據(jù)。Mazarico等[1-2，30-31]均采用最大地形高度角法計(jì)算了月球極區(qū)的光照率，并對(duì)部分潛在著陸區(qū)的光照條件進(jìn)行了詳細(xì)分析。圖1展示了基于高精度激光高度計(jì)（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA）的數(shù)據(jù)（60 m/pixel），Mazarico計(jì)算了月球18.6 a章動(dòng)周期內(nèi)的南極地區(qū)平均光照率。此外，Speyerer等[3]根據(jù)LRO上搭載的廣角相機(jī)獲取的極區(qū)連續(xù)影像和拍攝時(shí)間，計(jì)算了極區(qū)的光照率分布。與理論計(jì)算值相比結(jié)果更為直接，但觀測(cè)時(shí)間相對(duì)有限。

圖1 月球南極（>85°S）年平均光照率分布Fig. 1 Annual average illumination rate of lunar south polar region（>85°S）

2）熱環(huán)境特征

太陽(yáng)輻射是影響月面熱環(huán)境的最直接驅(qū)動(dòng)因素。月球自身的熱慣量非常小，白天月球表面的溫度主要是吸收太陽(yáng)入射輻射獲取到的，但地形也會(huì)改變太陽(yáng)光照條件從而對(duì)表面熱環(huán)境產(chǎn)生重要的影響[32-33]。理論研究表明由于撞擊坑坑壁會(huì)散射部分太陽(yáng)輻射和地球返照，導(dǎo)致永久陰影區(qū)的部分區(qū)域溫度升高加速了水冰的升華[34]，使水冰無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保存在其表面上。截止目前，LRO搭載的Diviner是世界首個(gè)對(duì)月表熱環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)性探測(cè)的載荷[35]。研究人員利用其長(zhǎng)達(dá)10 a的觀測(cè)，獲取了覆蓋極區(qū)任意時(shí)刻的溫度分布特征。結(jié)果表明，從月球極區(qū)季節(jié)性溫度波動(dòng)看，溫度恒小于110 K的北極區(qū)域（ > 80°N）有5 300 km2，南極（ > 80°S）有13 000 km2[36]。這比理論計(jì)算的永久陰影區(qū)面積（北極12 866 km2，南極16 055 km2）要小很多。圖2展示了月球南極區(qū)域夏季和冬季的平均溫度分布特征，可以看出季節(jié)性變化對(duì)光照區(qū)溫度的影響不是很明顯，但對(duì)永久陰影區(qū)的溫度有顯著的影響，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)效應(yīng)，即季節(jié)性陰影區(qū)。在冬季和夏季之間，季節(jié)性陰影區(qū)的溫度差最大可達(dá)100 K以上[36]。

圖2 月球南極平均溫度分布[36]Fig. 2 Averaged lunar southern temperatures[36]

2 極區(qū)月壤及水冰特性

2.1 極區(qū)月壤形成及演化機(jī)制

極區(qū)月壤主要為高地斜長(zhǎng)質(zhì)，其形成和演化過(guò)程與月球其它區(qū)域類(lèi)似。可描述為兩個(gè)相反的過(guò)程：破碎，通過(guò)撞擊作用挖掘破碎新鮮巖石形成月壤；膠結(jié)，通過(guò)撞擊熔融作用將破碎的巖石碎屑等月壤顆粒膠結(jié)成塊。太陽(yáng)風(fēng)粒子、宇宙射線和微隕石的撞擊是月壤性質(zhì)改造的重要過(guò)程。太陽(yáng)風(fēng)主要是通過(guò)注入H、He等氣體或離子，改變?cè)卤淼V物的晶體結(jié)構(gòu)及光譜性質(zhì)，并帶入外來(lái)成分；微隕石轟擊主要是會(huì)造成顆粒局部熔融和濺射，改變了顆粒表層結(jié)構(gòu)特性。

永久陰影區(qū)溫度極低，該區(qū)域的月壤與捕獲的水相互作用形成特殊的混合物，其形成演化受到月壤改造和水捕獲這兩個(gè)過(guò)程的制約。永久陰影區(qū)月壤特性可能的表現(xiàn)：①缺少太陽(yáng)風(fēng)的改造特征，如礦物表面的非晶化現(xiàn)象和納米相單質(zhì)鐵的形成，但濺射而來(lái)的月壤仍保存與源區(qū)月壤相似的性質(zhì)；②以“冷阱”形式捕獲和保存更多的揮發(fā)分；③月壤形成和改造過(guò)程中有一定含量的水（冰）參與，水分子進(jìn)入礦物晶格形成含水礦物。

2.2 極區(qū)水的來(lái)源及演化機(jī)制

1961年，Watson等[14]首次提出月球極區(qū)水的形成一部分來(lái)自于冷阱區(qū)域自身的凈冷凝量；另一部分來(lái)自于月球內(nèi)部釋放的水分子量，認(rèn)為水分子的逃逸機(jī)制主要是太陽(yáng)風(fēng)離子轟擊、離子化及重力作用。Arnold[17]進(jìn)一步總結(jié)提出，月球兩極水冰的來(lái)源主要是太陽(yáng)風(fēng)作用、含水隕石（彗星）撞擊、月球內(nèi)部釋放等，不過(guò)來(lái)自月球內(nèi)部的水對(duì)永久陰影區(qū)水冰的貢獻(xiàn)很少。

通過(guò)預(yù)估撞擊頻率和撞擊體的大小，Arnold計(jì)算出可能有1016～1017g的水在過(guò)去20億年里到達(dá)月球。撞擊時(shí)能量很高（可達(dá)60 km/s），絕大多數(shù)的水在撞擊過(guò)程中由于高溫而耗散[37]。Morgan等[38]估算出在撞擊中75%的物質(zhì)會(huì)分解或逃逸。Ong等[39]對(duì)不同速度的彗星撞擊月表進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低速（5 km/s）撞擊時(shí)將發(fā)生一系列熱解吸附、汽化和脫氣等作用，但這些氣體分子并沒(méi)有全部逃逸到太空，而是通過(guò)熱逃逸作用向極區(qū)遷移。當(dāng)然，這種熱逃逸運(yùn)移水分子的機(jī)制實(shí)際上是否存在、月球極地水冰的確切來(lái)源有待未來(lái)的月球探測(cè)加以判斷。判斷的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是月球水冰的D/H比值，彗星起源水的一個(gè)重要特征就是異常高的D含量，D/H比值3×10–4[40]。而太陽(yáng)風(fēng)注入月表的D/H比值約2×10–5[41]，流星體撞擊帶入的D/H約（2～5）×10–4[42]。在高速（60 km/s）撞擊條件下幾乎所有的水都會(huì)逃離月球。通過(guò)對(duì)所有可能的情況進(jìn)行模擬研究分析，Ong等[39]認(rèn)為大約有6.5%的彗星或小行星物質(zhì)會(huì)留在月球，因而估計(jì)在最近 的10億年里約有1.3 × 1014～1.3 × 1015g的水保存下來(lái)并遷移至極區(qū)。對(duì)于100 K以下的環(huán)境，水分子在其中的滯留時(shí)間至少達(dá)105～109a。

2.3 水冰的賦存狀態(tài)

根據(jù)樣品分析和遙感探測(cè)及結(jié)合月面巡視器探測(cè)結(jié)果推測(cè)，月壤中水的賦存狀態(tài)主要包括3種：礦物晶格中的結(jié)構(gòu)水、顆粒表面吸附水和水冰。光照區(qū)為結(jié)構(gòu)水，永久陰影區(qū)存在結(jié)構(gòu)水、吸附水和水冰。

礦物結(jié)構(gòu)水主要以羥基的形式與陽(yáng)離子結(jié)合存在于晶格中，相對(duì)較為穩(wěn)定，主要是含水巖漿在冷卻過(guò)程中結(jié)晶礦物捕獲羥基及太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子注入硅酸鹽礦物中形成，是光照區(qū)月壤水的主要存在方式。Chandrayaan-1上搭載的月球礦物繪圖儀（Moon Mineralogy Mapper，M3）探測(cè)到在紅外光譜2.8 μm附近存在水的吸收峰[7]。同時(shí)，由于撞擊濺射和靜電遷移等，光照區(qū)的月壤也可進(jìn)入永久陰影區(qū)并保存下來(lái)。此外，最新的“嫦娥五號(hào)”樣品測(cè)試分析也進(jìn)一步表明，其最大含水量可達(dá)283 ± 22 ppm[43]。礦物結(jié)構(gòu)水在極區(qū)光照區(qū)和永久陰影區(qū)的月壤中均有存在。

顆粒表面吸附水主要是吸附于礦物顆粒表面的水分子，在月球表面高真空條件下容易脫附，只能穩(wěn)定地存在于極低溫度的永久陰影區(qū)。月球南極永久陰影區(qū)溫度通常在110 K之下，以“冷阱”形式捕獲自由運(yùn)動(dòng)水分子（包括由光照區(qū)遷移而來(lái)、早期巖漿去氣及彗星撞擊等產(chǎn)生的水分子）并保存下來(lái)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期捕獲，月壤顆粒表面可形成連續(xù)或不連續(xù)的水分子吸附膜，若吸附水分子足夠多將形成“冰膜”。值得一提的是，最近NASA與德國(guó)航空航天中心（Deutsches Zentrum fr Luft- und Raumfahrt，DLR）聯(lián)合開(kāi)展的同溫層紅外線天文臺(tái)（Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy，SOFIA）任務(wù)在月球南半球光照區(qū)也探測(cè)到了100 ～ 412 ppm含量的水分子信號(hào)，相當(dāng)于撒哈拉沙漠水含量的百分之一[44]。

埋藏在永久陰影區(qū)的月壤次表層或表面呈斑片狀分布的水冰[45]。因撞擊濺射等作用，永久陰影區(qū)內(nèi)的月壤在逐漸積累，原先位于表面的月壤顆粒及可能暴露的水冰逐步被全部或部分埋藏。隨著埋藏深度的增加及月球內(nèi)部熱流的作用，溫度也逐漸升高。當(dāng)溫度高于脫附或升華溫度時(shí)，顆粒表面的吸附水發(fā)生脫附或升華往上逃逸。但當(dāng)水分子遷移至溫度低于脫附或升華溫度的月壤層時(shí)，重新被該層位的月壤顆粒吸附。隨著時(shí)間推移將形成在某一層位富集水冰，而其下月壤為干燥月壤。

3 極區(qū)水的探測(cè)

3.1 探測(cè)方法

以美國(guó)為代表的國(guó)家開(kāi)展了一系列的月球極區(qū)水的探測(cè)，探測(cè)手段包括雷達(dá)、中子、近紅外。針對(duì)極區(qū)水的探測(cè)任務(wù)和結(jié)果已有相關(guān)的論文報(bào)道[46–48]，本文綜合探測(cè)原理和結(jié)果，從探測(cè)方法分類(lèi)介紹極區(qū)水的探測(cè)。

1）雷達(dá)探測(cè)

Stacy利用Arecibo天文臺(tái)2.38 GHz地基合成孔徑雷達(dá)以125 m空間分辨率、雙極化方式搜尋永久陰影區(qū)的水冰[49]。發(fā)現(xiàn)了雷達(dá)回波同向極化增加的現(xiàn)象，不過(guò)這可能是水冰引起的，也可能是表面粗糙度引起的。

Clementine探測(cè)器搭載的雙基地雷達(dá)，從軌道器向月球上的目標(biāo)物體發(fā)射電磁波信號(hào)，在地球上接收反射回來(lái)的電磁波，由此獲得目標(biāo)物體的性質(zhì)。當(dāng)Clementine運(yùn)行到月球南極上空200 km處并與月球、地面接收站成一條直線時(shí)，同向極化和圓極化率（Circular Polarization Ratio，CPR）明顯增大，出現(xiàn)了特殊的散射效應(yīng)，即雷達(dá)回波不呈現(xiàn)月表巖石碎屑應(yīng)有的特征，呈現(xiàn)出水冰的特征[5]。有科學(xué)家認(rèn)為Clementine搭載的雷達(dá)對(duì)極區(qū)觀測(cè)采用的入射角過(guò)大（82°～90°），會(huì)因遮蔽、衍射、多次散射效應(yīng)而產(chǎn)生異常。

Chandrayaan-1探測(cè)器搭載的微型合成孔徑雷達(dá)（Mini-SAR）利用獨(dú)特的混合偏振結(jié)構(gòu)，能分辨出由水冰引起的體積散射或其他散射機(jī)制（如亞波長(zhǎng)尺度的表面粗糙度）。Spudis等[50]發(fā)現(xiàn)月球北極存在40多處CPR異常點(diǎn)，在排除10余個(gè)新鮮撞擊坑的表面粗糙度及坡度影響后，剩下的較古老的撞擊坑與中子探測(cè)儀探測(cè)到的H分布十分吻合，認(rèn)為這些異常點(diǎn)是由水冰引起的。

LRO搭載的多頻率合成孔徑雷達(dá)（Mini-RF），Mini-RF在Mini-SAR的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了雙波段（S波段12.6 cm和X波段4.2 cm）和雙分辨率（150 m和30 m）的聯(lián)用，可更好地測(cè)定反射信號(hào)，進(jìn)而區(qū)分回波信號(hào)到底受控于水冰還是表面粗糙度[51]。對(duì)月球極區(qū)異常CPR的填圖顯示，發(fā)現(xiàn)水冰存在的可能性很大。

目前有關(guān)雷達(dá)的爭(zhēng)議主要集中在CPR是否能夠完全指示水冰的存在。以Clementine科學(xué)團(tuán)隊(duì)為代表的科學(xué)家認(rèn)為主要是水冰造成雷達(dá)信號(hào)的異常[5，50，52]，針對(duì)非水冰造成的影響，也有科學(xué)家提出了意見(jiàn)，例如斜長(zhǎng)石的存在、月壤表面粗糙度的影響、撞擊坑的坡度等[49，53-54]。雷達(dá)回波信號(hào)存在的反演問(wèn)題至今尚未得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，為月球極區(qū)存在水冰留下了希望。

2）中子探測(cè)

高能宇宙射線與月表物質(zhì)作用時(shí)會(huì)釋放中子和其他亞原子粒子，一些能量高且直接逃離月表進(jìn)入宇宙的中子，稱(chēng)為快中子（500 keV～8 MeV）；一些中子射入月表物質(zhì)并與其它原子碰撞，如果碰撞的是較重的原子，撞擊過(guò)程中失去的能量不多，仍然會(huì)以接近初始速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們到達(dá)月球上空的中子探測(cè)器時(shí)會(huì)保持一定的能量，稱(chēng)為超熱中子（0.3 eV～500 keV）。如果月球表面某區(qū)域氫含量高，任何在這個(gè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的中子在從月表逃逸進(jìn)入宇宙之前都會(huì)被快速“冷卻”，即隨著速度的變慢能量銳減，變成為熱中子（能量＜0.3 eV）。當(dāng)中子探測(cè)儀經(jīng)過(guò)氫含量高空地區(qū)時(shí)，中子探測(cè)器將檢測(cè)到超熱中子數(shù)的減少，同時(shí)檢測(cè)到熱中子數(shù)急劇增加。目標(biāo)區(qū)域的氫含量就可通過(guò)不同類(lèi)型中子計(jì)數(shù)率的相對(duì)高低來(lái)反映。

LP搭載的中子探測(cè)儀能測(cè)量整個(gè)月球表面的氫含量，氫信號(hào)的強(qiáng)弱可反映含水量的多少。中子探測(cè)器可探測(cè)到含量小于0.01%的水，探測(cè)深度約0.5 m。結(jié)果表明：在月球兩極存在著豐富的H，北極H的信號(hào)比南極稍強(qiáng)[6]。因此推測(cè)月球極區(qū)可能含有豐富的水冰，且可能是以堅(jiān)實(shí)的近乎純水冰的形式埋藏于干燥的表土下約40 cm處，也可能是以一層月壤一層水冰的疊層形式儲(chǔ)存，可能是不同時(shí)期的彗星撞擊造成的。

LRO上也搭載了類(lèi)似的中子探測(cè)儀（Lunar Exploration Neutron Detector，LEND）并且配備了準(zhǔn)直儀。準(zhǔn)直儀可為中子探測(cè)器提供更狹窄的視域，使得空間分辨率大幅提高。在對(duì)月球南極超熱中子流計(jì)數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)[55]，永久陰影區(qū)和光照區(qū)都存在H含量非常高的特征，認(rèn)為富含H的層位同時(shí)存在于永久陰影區(qū)和光照區(qū)部分的月壤以下。

3）紅外光譜探測(cè)

紅外光譜探測(cè)實(shí)質(zhì)上是一種根據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、鑒別化合物和進(jìn)行定量分析的方法。當(dāng)物質(zhì)中分子吸收了紅外輻射后，會(huì)引起分子振動(dòng)–轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷從而形成特定的光譜。紅外光譜中吸收峰的位置和形狀與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可用來(lái)鑒別物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成、確定物質(zhì)的類(lèi)型。此外，吸收峰的強(qiáng)度與特定分子含量有關(guān)，可用于定量分析。水在紅外光譜中主要有5個(gè)特征吸收波段：①～2.8 μm附近的OH基頻振動(dòng)峰；②～3.0 μm附近的H2O基頻振動(dòng)峰；③～1.4 μm附近的-OH倍頻振動(dòng)峰；④～1.9附近的H2O倍頻振動(dòng)峰；⑤2.1～2.4 μm附近的金屬-OH組合頻振動(dòng)峰。在硅酸鹽天體中，利用水在紅外光譜中的特征峰可以識(shí)別出水的存在與否以及水的賦存狀態(tài)，并估算水的含量。

Cassini、Deep Impact和Chandrayaan-1的3次遙感探測(cè)搭載了紅外光譜儀且覆蓋了-OH和H2O基頻的吸收范圍，均獲得了關(guān)于月球表面水的重要紅外信號(hào)[7，56-57]：①3個(gè)紅外光譜均發(fā)現(xiàn)月球表面廣泛存在～2.8 μm和～3.0 μm的信號(hào)，分別代表了-OH和H2O，其中2.8 μm的特征峰在整個(gè)月球表面都有檢測(cè)到，而3 μm的特征峰并非全球存在，在部分低緯度赤道地區(qū)未檢測(cè)到信號(hào)；②-OH和H2O的吸收強(qiáng)度與緯度存在正相關(guān)性，即在赤道的吸收強(qiáng)度最弱，隨著緯度的增加其吸收強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，極區(qū)最強(qiáng)，這反映了水從低緯度向高緯度的遷移過(guò)程；③-OH和H2O的吸收強(qiáng)度與溫度（光照條件）具有反相關(guān)性；④月表水含量與物質(zhì)成分也有一定的相關(guān)性，即月表高地-OH和H2O的吸收強(qiáng)度均明顯強(qiáng)于月海。

針對(duì)紅外光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)疑主要體現(xiàn)在熱矯正的方法上，最初得到的測(cè)試結(jié)果沒(méi)有考慮到月壤熱量不均一、兩級(jí)地區(qū)地形及不同時(shí)間累加得到的熱散射等影響因素。在對(duì)Chandrayaan-1的M3數(shù)據(jù)采用改進(jìn)的熱模型后，Li等[45]發(fā)現(xiàn)-OH含量隨緯度的增大而增大，并表現(xiàn)為受太空風(fēng)化作用的增大而增大。但月球兩極大約只有3.5%的永久陰影區(qū)含有水冰，其中30%的水冰可能是以“臟冰”的形式存在于月壤中。

4）LCROSS探測(cè)

為實(shí)現(xiàn)原位直接探測(cè)，2009年10月美國(guó)啟動(dòng)LCROSS任務(wù)，“半人馬座”（Centaur）火箭搭載“牧羊號(hào)”探測(cè)器先后撞向月球南極Cabeus撞擊坑，當(dāng)“半人馬座”火箭撞擊時(shí)，“牧羊號(hào)”探測(cè)器有4 min對(duì)飛濺物進(jìn)行探測(cè)。其中搭載的近紅外探測(cè)器和U V（ultraviolet）探測(cè)器得到的結(jié)果證明了水冰的存在[11]，并計(jì)算出水冰含量5.6 ± 2.9 wt%。實(shí)際上，撞擊產(chǎn)生的濺射羽流中不僅檢測(cè)到水冰，還包括CO2、H、Ca、Hg、Mg等揮發(fā)分。

3.2 水冰的分布特征

月球表面水的存在受制于多項(xiàng)影響因素，包括表面溫度、組成、結(jié)晶化及太空風(fēng)化程度等[58]。永久陰影區(qū)溫度一般低于110 K，使得其成為天然冷阱，無(wú)論是月球存在過(guò)短暫的大氣或近乎真空的情況下都能夠束縛水分子。月球南極永久陰影區(qū)面積16 055 km2，月球北極永久陰影區(qū)面積12 866 km2[20]，理論上南極相對(duì)于北極含有更多的水冰。Li等[59]基于改進(jìn)的M3熱輻射模型分析指出雖然月球北極相對(duì)于南極有更小的永久陰影區(qū)面積，有更高的含水量，但隨著緯度的上升，H/OH/H2O含量也在上升，“太空風(fēng)化程度”相對(duì)“緯度”對(duì)月壤（60～80 μm）水含量造成的影響比較小。另外，年均溫度低于110 K的撞擊坑大多數(shù)顯示含暴露水冰，但也有例外，靠近月球南極的Amundsen、Hedervari、Idel’son L、 Wiechert的撞擊坑和靠近北極的Bosch撞擊坑和大多數(shù)微型冷阱，結(jié)合紫外波段、中子數(shù)據(jù)、激光紅外波段等反映的水冰分布位置，發(fā)現(xiàn)那些大型撞擊坑內(nèi)保存的水冰年齡都較老。由于水冰形成速率很慢，新鮮撞擊坑內(nèi)水冰沉積可能很少或沒(méi)有[45]。對(duì)于月球南極撞擊坑的最新定年結(jié)果顯示，大多數(shù)水冰確實(shí)分布在年齡比較老（>3.1 Ga）的撞擊坑內(nèi)，但也有少量直徑15 km左右的新鮮撞擊坑含有水冰，這也說(shuō)明近些年水冰積累的速率加快[60]。Crider等[61]認(rèn)為永久陰影區(qū)水冰在月球進(jìn)入白天時(shí)存在于月球散逸層中，而進(jìn)入黑夜時(shí)穩(wěn)定存在于次表面。這樣的數(shù)值模擬得到Sunshine等[56]的觀測(cè)結(jié)果的支持，后者認(rèn)為表面H含量與當(dāng)?shù)貢r(shí)相關(guān)。最近的數(shù)值模擬結(jié)果展示[62]，月球兩極水分子含量的日均變化超過(guò)月球整年水含量變化，同時(shí)超過(guò)赤道地區(qū)水分子含量變化兩個(gè)數(shù)量級(jí)?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)冷阱效應(yīng)吸附由光照區(qū)遷移而來(lái)的水分子是永久陰影區(qū)儲(chǔ)存水的一個(gè)普遍過(guò)程。

基于表面光譜反射率的結(jié)果顯示不同的永久陰影區(qū)水冰在空間上是不均勻分布的，尤其是在單個(gè)冷阱內(nèi)[63]，這種不均一的水冰分布模式大多歸因于撞擊活動(dòng)[64]。由于地形和表面粗糙度影響[65]，永久陰影區(qū)能接收到的熱量主要是表面輻射及月球內(nèi)部熱流，進(jìn)而影響永久陰影區(qū)溫度分布[34]，導(dǎo)致空間的分布差異。

綜合雷達(dá)、中子衰弱、近紅外等探測(cè)結(jié)果表明水冰在月壤縱向呈現(xiàn)不規(guī)則分布。水分子向下擴(kuò)散使得表層月壤變得干燥，從而能保護(hù)次表層月壤中水分子不容易逃逸或受太空風(fēng)化作用影響[8]。對(duì)水分子含量隨月壤深度變化的蒙特卡羅模擬結(jié)果顯示[64]，太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子的持續(xù)植入能使得深度140～160 cm處的月壤富集H，隨時(shí)間的增加，H含量的最大值沒(méi)有增大，保持在4 100 ppm，即達(dá)到飽和濃度。這種H含量被認(rèn)為等效成水分子的含量為0.25～2 wt%。Kleinhen等[66]歸納總結(jié)了目前所有探測(cè)任務(wù)的最新研究成果，提出月壤水冰的剖面分布主要由最表層的“霜凍”層、淺表層的冰壤混合層和深部水冰層構(gòu)成。

4 極區(qū)月壤物性及模擬物制備

4.1 極區(qū)月壤物理特性

不論是接觸式還是非接觸式探測(cè)，月壤是最直接的探測(cè)目標(biāo)。因此準(zhǔn)確了解月壤的物理性質(zhì)對(duì)采用合適的探測(cè)手段及相關(guān)影響因素分析具有關(guān)鍵的作用。

1）力學(xué)性質(zhì)

月壤主要由硅酸鹽礦物和玻璃質(zhì)組成，兩者之間的宏觀力學(xué)性質(zhì)較接近。參考靜壓條件下不同孔隙比月壤樣品的壓縮系數(shù)[23]，可推測(cè)出極區(qū)月壤孔隙率在51% ～ 35%之間時(shí)，對(duì)應(yīng)孔隙比1.04 ～ 0.54，平均壓縮系數(shù)3 ～ 20，承載力7～ 55 kPa，總體上與月海的月壤基本相當(dāng)。內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨深度的增大呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，表層月壤的內(nèi)聚力在0.44 ～ 0.62 kPa之間，內(nèi)摩擦角41° ～ 43°之間；30 ～ 60 cm處兩者分別在2.4 ～ 3.8 kPa和52° ～ 55°之間。

2）熱學(xué)性質(zhì)

太陽(yáng)系內(nèi)許多天體無(wú)大氣，月球、水星和小行星，其表面由于缺少大氣層的保護(hù)，受到大量流星體撞擊后覆蓋一層顆粒較小的風(fēng)化層。這層風(fēng)化物的熱學(xué)性質(zhì)是了解天體表面熱狀態(tài)和地質(zhì)過(guò)程的基本參數(shù)。熱導(dǎo)率是衡量天體表層風(fēng)化物熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)。在真空環(huán)境下，粉末物質(zhì)的熱導(dǎo)率（如月壤）比巖石的熱導(dǎo)率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。熱導(dǎo)率除受密度的影響之外，也會(huì)受氣壓、溫度、顆粒大小等因素的影響[67-68]。在0.1 torr以下熱導(dǎo)率隨氣壓的變化非常小，之后隨氣壓的增大而增大[69-70]。極區(qū)月壤斜長(zhǎng)石含量較高，而斜長(zhǎng)石熱導(dǎo)率比輝石和橄欖石小，參照Apollo 16月壤，推測(cè)出在100～400K內(nèi)極區(qū)月壤熱導(dǎo)率（0.5～1.5）×10–3W·m–1·K–1間；隨著深度的增加，由于密度增大熱導(dǎo)率也隨之增大，其與月海月壤變化趨勢(shì)基本一致。

3）電學(xué)性質(zhì)

電導(dǎo)率是度量電流在物質(zhì)中傳輸?shù)碾y易程度，月表硅酸鹽屬于典型的低電導(dǎo)物質(zhì)。電導(dǎo)率是影響月塵帶電浮揚(yáng)防護(hù)、利用月球的電磁測(cè)深數(shù)據(jù)推導(dǎo)月球內(nèi)部的溫度剖面及月球礦產(chǎn)資源選冶等所需要的關(guān)鍵參數(shù)。

月壤電導(dǎo)率隨溫度的變化表現(xiàn)出非晶質(zhì)特征，表明月表的月壤受到了強(qiáng)烈輻射損傷。Apollo 15月壤樣品分析結(jié)果表明電導(dǎo)率隨溫度的變化符合指數(shù)關(guān)系[71]，Apollo 16月巖樣品的電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系與月壤相似。月表物質(zhì)的電導(dǎo)率除受月表溫度控制外，還受月表太陽(yáng)輻射的影響。太陽(yáng)輻射可大大改變?cè)卤砦镔|(zhì)的電導(dǎo)率，使月表物質(zhì)在太陽(yáng)晨昏線附近有較大的電荷運(yùn)動(dòng)。觀測(cè)結(jié)果表明，黑夜時(shí)月表物質(zhì)的直流電電導(dǎo)率從月壤的10–14ohm/m到月巖的10–9ohm/m不等；當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，月壤和月巖的電導(dǎo)率至少有106ohm/m以上的增加[23]。

介電常數(shù)是度量物質(zhì)保持電荷間距離的能力（即電荷極化）。對(duì)于絕對(duì)無(wú)水的月巖來(lái)說(shuō)，其礦物組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是決定其電阻率和復(fù)介電常數(shù)的主要因素；而對(duì)結(jié)構(gòu)松散的月壤來(lái)說(shuō)，復(fù)介電常數(shù)的影響因素主要包括測(cè)試頻率、樣品密度、測(cè)試溫度、化學(xué)成分等4個(gè)方面[71-72]。由于極區(qū)鈦鐵氧化物含量較低，相對(duì)月海月壤介電常數(shù)也較小，相對(duì)介電常數(shù)1 ～ 8之間，介電損耗0.001 ～ 2之間，縱向由于組分變化小而呈現(xiàn)很小的變化[23]。Apollo16月球樣品的復(fù)介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果顯示，其相對(duì)介電常數(shù)在1.66 ～ 7.82之間，介電損耗在0.001 ～ 2之間。真空介電常數(shù)主要與物質(zhì)的組分相關(guān)，根據(jù)極區(qū)月壤礦物組成與Apollo16樣品類(lèi)似，因此推測(cè)也表現(xiàn)出類(lèi)似的介電屬性。

4.2 極區(qū)月壤模擬物

月球樣品珍貴且稀少，為滿(mǎn)足工程探測(cè)的大量需求，需要制備相關(guān)研究區(qū)域的模擬月壤。目前已經(jīng)公開(kāi)報(bào)道的有3類(lèi)模擬月壤[73–75]：①典型的月海模擬壤；②典型的高地模擬壤；③南極模擬月壤。本文所關(guān)注的是月球南極模擬月壤。

為滿(mǎn)足月球南極地區(qū)探測(cè)的需求，制備月球高地模擬月壤是首要任務(wù)。國(guó)際上已展開(kāi)了月球高地模擬壤的工作，并成功模擬出了不同的高地月壤。對(duì)于任何模擬月壤應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足基本的特性：粒徑、粒徑分布、混合的巖石碎屑、礦物碎屑和玻璃。對(duì)于月球高地，超過(guò)80%的基巖由鈣長(zhǎng)巖–蘇長(zhǎng)巖–橄長(zhǎng)巖套組成，而玄武巖僅占基巖的17%左右。目前，國(guó)際上普遍以Apollo16樣品的綜合物性作為高地模擬月壤的參考對(duì)象。已經(jīng)報(bào)道的高地模擬壤對(duì)比如表1所示。通過(guò)對(duì)比，NU-LHT-1M/2M模擬壤與Apollo 16樣品（64 001/64 002）的成分最為接近，尤其是鈣長(zhǎng)石含量最為接近，也是衡量高地模擬壤的關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)各個(gè)模擬的月壤成分和粒形分布對(duì)比，在制備月球高地模擬壤時(shí)同樣以Apollo16樣品為參考對(duì)象，但需要注意：①選取原始物料時(shí)需要考慮巖石的組成，斜長(zhǎng)巖、鈣長(zhǎng)石（An%）和粘合集塊巖的含量；②破碎、研磨時(shí)，需要選取合適的方法，控制粒形分布。

4.3 極區(qū)月壤模擬物制備的標(biāo)準(zhǔn)

極區(qū)模擬月壤制備的準(zhǔn)確性對(duì)前期工程試驗(yàn)至關(guān)重要，分析和對(duì)比不同模擬月壤的特征，需要從化學(xué)組成、礦物組成和粒徑分布這3個(gè)基本方面作為模擬月壤制備的標(biāo)準(zhǔn)。

1）化學(xué)組成：參考極區(qū)LP伽馬光譜數(shù)據(jù)、斜長(zhǎng)質(zhì)月殼組成和Apollo 16月壤分析結(jié)果，表2列出了極區(qū)月壤的化學(xué)組成參考。

2）礦物組成：主要為斜長(zhǎng)石（鈣長(zhǎng)石），月壤中的斜長(zhǎng)石可達(dá)70 ～ 80 vol%，橄欖石、輝石和玻璃質(zhì)的含量小于20 vol%。

3）粒徑及分布、熱電性質(zhì)，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 極區(qū)月壤模擬物基礎(chǔ)物性參考規(guī)范Table 3 Reference specification of lunar polar regolith simulants

5 極區(qū)月壤及水冰探測(cè)的科學(xué)價(jià)值

月球極區(qū)是行星科學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域之一，一方面因?yàn)樵搮^(qū)域從未被原位探測(cè)過(guò)，存在很多未知的問(wèn)題；另一方面因?yàn)闃O區(qū)月壤（包括永久陰影區(qū)）富含的揮發(fā)分（包括水）對(duì)研究月球甚至早期太陽(yáng)系元素組成都具有重要的科學(xué)意義。此外，探測(cè)極區(qū)的永久陰影區(qū)，可更好地了解該區(qū)域的水冰在月壤中的分布特征、賦存狀態(tài)以及含量，對(duì)研究永久陰影區(qū)的水冰來(lái)源和演化機(jī)制也具有重要的科學(xué)價(jià)值。

古火山活動(dòng)釋放的水是最難以確定的來(lái)源。Needham和Kring[78]計(jì)算出月球可能在35億年前是經(jīng)歷火山去氣作用最旺盛的時(shí)期，并計(jì)算出最多有約1019g的揮發(fā)分，包括H2O、CO、CO2和S等物質(zhì)在此期間被釋放出來(lái)，其中一部分物質(zhì)可能沉降到永久陰影區(qū)中。因此，通過(guò)采集和分析極區(qū)（包括永久陰影區(qū)）的月壤可以分析月球內(nèi)部揮發(fā)分組成和同位素特征。根據(jù)太陽(yáng)系形成理論模型[79]，在原始太陽(yáng)時(shí)期發(fā)生H同位素交換：HDO+H2H2O+HD。向雪線方向移動(dòng)，隨著星云的冷凝，D/H逐漸趨于增大。此外，太陽(yáng)風(fēng)能直接轟擊月表，通過(guò)H2與含F(xiàn)e2+硅酸鹽礦物反應(yīng)帶來(lái)水分子[17]或者太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子H+直接與月壤中硅酸鹽形成OH-進(jìn)而形成H2O[8]，因此，D/H能夠用來(lái)示蹤水分子來(lái)源[80]。即原太陽(yáng)H儲(chǔ)庫(kù)：D/H =（ 20 ± 5）×10–6；彗星水儲(chǔ)庫(kù)：D/H =（ 137～600）×10–6；星際間冰顆粒儲(chǔ)庫(kù)：D/H >950 ×10–6；整體地球：D/H = （ 149 ± 3）×10–6。

對(duì)于工程探測(cè)，月球極區(qū)的水無(wú)疑是最重要的資源。通過(guò)開(kāi)采永久陰影區(qū)的水冰可直接獲取水資源，作為保障生命的飲用水資源，也可以通過(guò)分解產(chǎn)生氧氣和氫氣，而氧氣也是生命所必需的，氫氣則是作為推進(jìn)器的燃料。在解決重要的燃料資源后，進(jìn)一步利用月球的低重力、近地等優(yōu)勢(shì)建立深空探測(cè)的中轉(zhuǎn)站，探測(cè)更遙遠(yuǎn)的天體。此外，水或水冰還是防宇宙射線和太陽(yáng)輻射的屏障。粗略計(jì)算表明，月球上1 m厚的冰蓋對(duì)太陽(yáng)輻射和銀河宇宙射線的阻擋，其安全性相當(dāng)于站在地球表面上。

6 結(jié)束語(yǔ)

月球極區(qū)特殊的光照條件和表面環(huán)境成為水匯聚和保存的理想場(chǎng)所，也是未來(lái)月球探測(cè)的重要目標(biāo)之一。本文通過(guò)綜合調(diào)研國(guó)內(nèi)外關(guān)于月球極區(qū)的研究和探測(cè)成果，首先介紹了極區(qū)的地質(zhì)特征、光照條件和表面環(huán)境特征，在極區(qū)部分撞擊坑和低洼區(qū)域存在著永久陰影區(qū)，該區(qū)域極低的溫度成為捕獲和富集水的理想場(chǎng)所。其次，介紹了極區(qū)月壤的形成和演化機(jī)制、水的來(lái)源和演化機(jī)制。極區(qū)月壤屬于高地斜長(zhǎng)質(zhì)物質(zhì)，鈣長(zhǎng)石含量較高，南極部分區(qū)域受艾特肯盆地撞擊濺射物的混染而包含玄武質(zhì)月壤。不同的遙感探測(cè)結(jié)果均指向在永久陰影區(qū)分布著水冰，不過(guò)水冰在月壤中的分布形式和賦存狀態(tài)目前仍沒(méi)有統(tǒng)一且清晰的認(rèn)識(shí)。

月壤是探測(cè)最直接的作用對(duì)象，其物理性質(zhì)也影響著探測(cè)傳感器的定標(biāo)、探測(cè)數(shù)據(jù)的校正和解譯。通過(guò)調(diào)研Apollo樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，對(duì)極區(qū)月壤的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了討論，總體上更接近Apollo16高地月壤的性質(zhì)。此外，為滿(mǎn)足前期工程測(cè)試和傳感器定標(biāo)要求，調(diào)研了國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)展的月球極區(qū)模擬月壤的研制進(jìn)展。最后，以Apollo16樣品的分析結(jié)果為基礎(chǔ)提出了極區(qū)月壤模擬物制備的標(biāo)準(zhǔn)。

月球極區(qū)富含的水冰是研究月球內(nèi)部物質(zhì)組成、水的來(lái)源、早期太陽(yáng)系氫氧同位素組成等問(wèn)題的重要物質(zhì)，具有重要的科學(xué)價(jià)值。通過(guò)探測(cè)了解水冰在月壤中的分布形式和賦存狀態(tài)，對(duì)評(píng)估水的總儲(chǔ)量以及開(kāi)采、提取和利用水資源具有重要的工程意義。通過(guò)對(duì)極區(qū)的探測(cè)也必將進(jìn)一步提高人類(lèi)對(duì)月球地質(zhì)活動(dòng)、外部空間環(huán)境以及早期太陽(yáng)系物質(zhì)組成特征的新認(rèn)識(shí)。水資源的勘探和利用也將為建立月球深空中轉(zhuǎn)站并進(jìn)行更遙遠(yuǎn)的深空探測(cè)提供堅(jiān)實(shí)的跳板。