過去20年，科學(xué)家在月球表面發(fā)現(xiàn)了許多存在水的證據(jù)。有科學(xué)家猜想，月壤深處存在含水層，驅(qū)動著整個(gè)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(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）研究員胡森、南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院教授惠鶴九等科學(xué)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(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然-地球科學(xué)》。

“我們的研究證明撞擊玻璃珠可能是一個(gè)新的月球儲水物質(zhì)，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?！闭撐耐ㄓ嵶髡吆瓕Α吨袊茖W(xué)報(bào)》說。

(相關(guān)資料圖)

隨著對月球探測的日益推進(jìn)，研究者認(rèn)為，通過大量玻璃珠提取水前景可期。

一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)

2021年冬季的一天，地質(zhì)地球所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)，珠內(nèi)的水豐度從外至內(nèi)逐漸遞減，形成“環(huán)帶特征”。

她把這個(gè)結(jié)果提交給導(dǎo)師胡森。胡森的第一反應(yīng)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(yīng)和他一樣：“會不會是實(shí)驗(yàn)錯(cuò)了？”

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

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(shí)，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(guān)的變化，相同位置晨昏時(shí)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(wù)曾檢測到，月球空間環(huán)境中的水分子逃逸時(shí)間與流星雨事件相關(guān)。但經(jīng)計(jì)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(xué)家推測流星雨撞擊月球時(shí)會把月壤中儲存的一部分水蒸發(fā)到月球空間導(dǎo)致逃逸，并提出了月表水循環(huán)猜想。該猜想認(rèn)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(nèi)的國內(nèi)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(shè)?！斑@些礦物中的水含量極少。”胡森對《中國科學(xué)報(bào)》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(zhì)？

胡森與合作者嘗試用撞擊玻璃珠回答這個(gè)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(nèi)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(wù)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(xì)研究。

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

為了驗(yàn)證這一結(jié)果，他們一遍遍反復(fù)實(shí)驗(yàn)，接連從110多個(gè)月壤玻璃珠中選取表面光滑、化學(xué)成分與月球玄武巖一致的32個(gè)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(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，結(jié)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?！斑@相當(dāng)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(guān)于月表水的來源，科學(xué)家有很多猜想。例如，太陽風(fēng)攜帶的氫離子注入月表礦物，月球早期形成時(shí)含水并保留至今，彗星和小行星撞擊月球時(shí)攜帶而來。

事實(shí)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(fēng)呢？

對此，惠鶴九向《中國科學(xué)報(bào)》解釋說：“通常，通過高溫熔融形成玻璃珠時(shí)‘水會向外跑’，因此玻璃珠內(nèi)更可能出現(xiàn)水豐度‘里高外低’的情況?！?/p>

同時(shí)，作為元素周期表中質(zhì)量最輕的氫，科學(xué)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(nèi)氫同位素進(jìn)行檢測，研究人員發(fā)現(xiàn)其與太陽風(fēng)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(yàn)證月表水循環(huán)猜想：過去數(shù)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(fēng)中的氫離子源源不斷到達(dá)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(jié)合形成水，也可能在其他條件下被釋放出來?！焙忉屨f，他們也發(fā)現(xiàn)有些玻璃珠在后期甚至經(jīng)歷過一定程度的撞擊或加熱事件，導(dǎo)致水含量剖面疊加了一次去氣過程。

數(shù)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(jì)，月壤中撞擊玻璃珠所承載的水量可達(dá)到2.7×1014千克。“這遠(yuǎn)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(jù)這些結(jié)果，他們認(rèn)為，這些直徑相當(dāng)于頭發(fā)絲粗細(xì)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?？吹降乃煌?，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(jìn)一步研究。

審稿人認(rèn)為這項(xiàng)研究十分有趣，且提出了重要的新發(fā)現(xiàn)?！?972年，一項(xiàng)研究曾報(bào)道了揮發(fā)性元素向內(nèi)擴(kuò)散的現(xiàn)象，但一直以來尚未報(bào)道過撞擊玻璃珠內(nèi)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?！币晃粚徃迦藢懙?。

此外，隨著探測能力的提升，科學(xué)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(xiàng)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(xì)研究，例如無大氣天體表面水的來源、保存、遷移機(jī)制等，對未來深空探測任務(wù)原位水資源利用的方案設(shè)計(jì)和提取策略等都有重要參考價(jià)值?！焙f。

關(guān)鍵詞：