張唯誠(chéng)

隕石坑有水的理論研究

普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，月球隕石坑中存在水，它們來(lái)自撞擊月面的大大小小的彗星。是的，在太陽(yáng)系形成后的一段時(shí)間里，彗星頻繁地撞擊過(guò)地球和月球，為地球帶來(lái)了大量的水，人們認(rèn)為，它們同樣也為月球帶去了水。研究顯示，在太陽(yáng)系形成后的大約10 億年里，彗星撞擊尤為密集。

但月球和地球的環(huán)境不同，水很難保存在月球上。月晝的溫度極高，水很快就會(huì)沸騰，并揮發(fā)掉。而月球的引力場(chǎng)又太弱，只有地球的六分之一，不足以束縛住向太空逃逸的水蒸氣。因此科學(xué)家們認(rèn)為，月球上如果存在水的話，只能分布在陰暗的隕石坑里。隕石坑內(nèi)極為寒冷，溫度為-240℃，這樣的低溫足以維持水冰的存在。這意味著在一些月球隕石坑里，很可能有以水冰形式存在的水。這就是在月球上尋水十分重視隕石坑的原因。

說(shuō)月球上有水，人們還會(huì)想到月球的起源。目前，最能說(shuō)明月球起源的理論是“大碰撞說(shuō)”。這個(gè)理論認(rèn)為，月球形成于地球和一顆類似火星大小的行星的碰撞。那次碰撞極其劇烈，足以使地球的相當(dāng)一部分氣化。在那次碰撞中，地球的一部分物質(zhì)被拋入太空，它們和碰撞天體變成無(wú)數(shù)碎片環(huán)繞在地球的周圍，一段時(shí)間后，這些碎片聚合形成了月球。

科學(xué)家們模擬了這個(gè)過(guò)程。他們?cè)?jīng)認(rèn)為，碰撞后地球上被撞入太空中的水都散失在了太空中。然而研究顯示，有些水也可以封存在月球的內(nèi)部。在以后的歲月里，這些水又有可能被太空天體撞擊出來(lái)，因?yàn)閯×业淖矒艚?jīng)常將月球內(nèi)部的物質(zhì)帶出來(lái)。關(guān)于這個(gè)假設(shè)，你只需要仔細(xì)地觀察一下月球隕石坑就可以明白。在用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月球隕石坑時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有些隕石坑中存在一個(gè)小小的山峰，那就是撞擊造成的。

當(dāng)碰撞發(fā)生后，月面被砸出了一個(gè)洞，它往往非常深。于是，月球內(nèi)部的物質(zhì)便從洞中噴涌出來(lái)，越堆越高。冷卻后，這些物質(zhì)便在隕石坑中形成了一座山?？梢韵胍?，如果月球內(nèi)部含有水，水也會(huì)被這種運(yùn)動(dòng)帶到月面上，隱藏在這樣的山上，研究這樣的山峰或許能夠找到水。

事實(shí)上，科學(xué)家們確實(shí)用月球探測(cè)器探測(cè)了月球上的布利奧隕石坑，這個(gè)隕石坑是以17 世紀(jì)法國(guó)天文學(xué)家布利奧的名字命名的。它位于月球赤道附近，直徑61 千米，中心有一座山峰?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)這座山峰的月巖中含有氫氧基，其含量足以和水的存在產(chǎn)生密切的聯(lián)系，表明這個(gè)隕石坑中很有可能存在著來(lái)自月球深處的水。

隕石坑有水的模擬實(shí)驗(yàn)

既然撞擊能使月球內(nèi)部的物質(zhì)噴涌出來(lái)，那么火山爆發(fā)呢？美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的行星科學(xué)家安德魯·威爾科斯基和他的同事們想到了這樣的問題。這些科學(xué)家知道，在月球上，火山活動(dòng)的證據(jù)也是很容易找到的。

在月明的夜晚，只要你抬頭望月，就能很容易地找到火山活動(dòng)的證據(jù)：月面上有一些稍顯暗淡的區(qū)域，這些區(qū)域被人們稱為“月?！薄Ｆ鋵?shí)那并不是海，而是廣闊的火山巖平原。從42 億年前至大約10 億年前，月球上存在著大規(guī)模的火山活動(dòng)，且大多數(shù)發(fā)生在該時(shí)間段的前20 億年內(nèi)?；鹕絿姲l(fā)將大量火山熔巖噴出月面，它們流向低洼地區(qū)，冷卻后便形成了月海。

然而，噴發(fā)并不僅僅帶來(lái)了大量熔巖，也噴出了大量火山氣體云。這些火山氣體云中包含一氧化碳和水蒸氣，它們彌漫在月球上空，在月球周圍形成了一個(gè)脆弱的大氣層?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這個(gè)大氣層發(fā)揮了將水蒸氣運(yùn)送到月球兩極的作用。然而，這個(gè)大氣層不久后便被太陽(yáng)風(fēng)吹散了，存在時(shí)間很短暫。

安德魯·威爾科斯基和他的同事們推測(cè)，大氣層中的水蒸氣并沒有全部被吹散掉，它們中的一部分被輸送到了兩極地區(qū)，就像霜一樣沉降在冰冷的隕石坑中，為隕石坑帶來(lái)了水。為此，這些科學(xué)家使用計(jì)算機(jī)模擬的方法去驗(yàn)證這一過(guò)程，他們以每 22000 年噴發(fā)一次的頻率對(duì)月球大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)的狀況進(jìn)行了建模。據(jù)此研究火山氣體逃逸到太空的速度，并將這個(gè)速度與火山氣體在月面凝結(jié)、凍結(jié)和沉降的速度進(jìn)行了比較。

經(jīng)過(guò)建模發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，隕石坑中的一些霜凍會(huì)在陽(yáng)光下升華，在此后數(shù)十億年的時(shí)間里，一些水冰還會(huì)轉(zhuǎn)化成蒸汽逃逸到太空中，但大部分仍因寒冷的隕石坑而被困在了兩極地區(qū)，以至于可以以水冰的形式存在數(shù)十億年。

模擬表明，每次火山噴發(fā)都引發(fā)了新大氣層的形成，這種新大氣層可以持續(xù)大約2500 年。大約2 萬(wàn)年后，下一次噴發(fā)又會(huì)重新到來(lái)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，大氣層為水建立了一個(gè)大氣輸送系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)使水分子繞月球運(yùn)行，同時(shí)也使它們更難逃逸到太空中去。2022 年5 月，這些科學(xué)家將他們的研究成果發(fā)表在了《行星科學(xué)雜志》上。

隕石坑有水的實(shí)證

模擬的結(jié)果和理論的研究替代不了在月球隕石坑中找水的實(shí)際行動(dòng)。人們究竟有沒有在月球隕石坑中找到水呢？回答是肯定的。早在20 世紀(jì)中葉，科學(xué)家們就嘗試在月球隕石坑中找水了。到了2009 年，這樣的科學(xué)考察活動(dòng)達(dá)到了高潮，并且取得了成效。這個(gè)過(guò)程首先得從一個(gè)名為“克萊門汀”的月球探測(cè)器說(shuō)起。

“克萊門汀”月球探測(cè)器于1994 年1 月25 日發(fā)射升空，它在繞月飛行的時(shí)候向月球南極附近的隕石坑里發(fā)射了無(wú)線電波，反射后的電波被地球上的天線所接收?？茖W(xué)家們分析了電波后發(fā)現(xiàn)，這些反射波似乎來(lái)自含有水冰的物質(zhì)，表明在月球隕石坑中很可能有水存在，尤其是位于月球兩極的隕石坑。那些隕石坑極冷，有些很深，陽(yáng)光也照不進(jìn)去，所以能起到收集水和其他易揮發(fā)物質(zhì)的作用，探索這樣的隕石坑很有可能找到水。為此，人們想到撞月，即用人造物體沖擊月面以揚(yáng)起隕石坑中的塵土，然后近距離地用光譜儀測(cè)出其中是否有水分存在。

1998 年，一個(gè)名為“月球勘測(cè)者”的月球探測(cè)器撞擊了月球南極的一個(gè)隕石坑，然而撞擊后并沒有出現(xiàn)水的跡象。這存在兩種可能的原因：一是撞擊產(chǎn)生的水蒸氣太少，不足以讓儀器偵測(cè)到；二是隕石坑里根本沒有水。

2009 年10 月9 日，“月球隕石坑觀測(cè)與傳感衛(wèi)星”在繞月飛行數(shù)月后對(duì)月球南極附近的一個(gè)隕石坑實(shí)施了兩次撞擊。這個(gè)隕石坑直徑約100 千米，名為“凱布斯隕石坑”?！霸虑螂E石坑觀測(cè)與傳感衛(wèi)星”由一顆衛(wèi)星和一枚火箭組成，這兩個(gè)部分分別撞擊了月面，它的衛(wèi)星部分觀測(cè)了第一次撞擊。另一個(gè)名為“月球勘測(cè)軌道器”的月球探測(cè)器利用自身的儀器觀測(cè)了這兩次撞擊。

一年后，科學(xué)家們發(fā)表了他們的研究成果。他們認(rèn)為，兩次撞擊共揚(yáng)起了150 千克以上的水冰，水的含量在撞擊點(diǎn)的土壤中為5.6%，這個(gè)結(jié)果證明了月球隕石坑中有水的存在，為人類在月球上找水的探測(cè)活動(dòng)增添了新的信心。

月球?qū)に饬x重大

2009 年的“撞月”為月球隕石坑尋水行動(dòng)畫上了一個(gè)圓滿的句號(hào)，但水的來(lái)源問題并沒有得到完全的解決。長(zhǎng)期以來(lái)，人們普遍將月球隕石坑中水的來(lái)源鎖定在彗星的撞擊上。而新的研究則表明，撞擊之外的火山噴發(fā)也可以成為月球水的重要來(lái)源，火山噴發(fā)造成的短暫存在的大氣層有可能將水蒸氣輸送到月球兩極的隕石坑中。水蒸氣在隕石坑中沉積，從而形成了水冰。這項(xiàng)研究豐富了月球隕石坑中水的來(lái)源理論，是月球?qū)に闹匾M(jìn)步。

月球?qū)に囊饬x重大，水不僅可以飲用、灌溉，還可以通過(guò)電解產(chǎn)生氧、有效地阻隔宇宙輻射、提取氫以制作燃料。這種燃料除可供月球上使用外，也可以作為返程燃料為宇航員返回地球提供能源保障?，F(xiàn)在，新一輪針對(duì)月球的探索競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)展開，許多國(guó)家都有前往月球或者重返月球的計(jì)劃，我國(guó)的月球探測(cè)工程也取得了重大成果。在月球上尋水已不僅僅是一種科學(xué)探索，它的成敗與下一步人類登陸月球，并在月球上建設(shè)基地密切相關(guān)。

選自《科學(xué)24小時(shí)》