2020年12月1日，嫦娥五號探測器成功著陸在月球風(fēng)暴洋北部地區(qū)，并于12月17日將1731克月球樣品帶回地球，基于樣品的實(shí)驗室研究，確定著陸區(qū)玄武巖的年齡約為20億年（Li et al., 2021；Che et al., 2021）。除了采集月球樣品返回地球之外，嫦娥五號探測器的另一個重要任務(wù)是在原位條件下獲取采樣區(qū)的形貌與物質(zhì)成分，解析月表水特征。月表水的探測對于約束月球的形成過程、月球科研站建設(shè)和原位資源利用等至關(guān)重要。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所行星科學(xué)團(tuán)隊、上海技術(shù)物理研究所、國家空間科學(xué)中心，以及南京大學(xué)、美國夏威夷大學(xué)合作，利用嫦娥五號探測數(shù)據(jù)，首次獲得了月表原位條件下的水含量。
1952年，諾貝爾化學(xué)獎得主Harold Urey（1934年）提出月球上可能存在太陽永遠(yuǎn)無法照射到的洼地（后稱“永久陰影區(qū)”），其中或存在一些揮發(fā)性的物質(zhì)。1961年，加州理工學(xué)院科學(xué)家Kenneth Watson等通過數(shù)值模擬展示了水蒸氣在地質(zhì)時間尺度上是如何困于永久陰影區(qū)的。1969至1972年，阿波羅任務(wù)在月球上采集了大量的樣品并返回地球，使人們有機(jī)會直接測量月球上是否有水，但月壤很干，宇航員留在月球表面探測大氣的儀器無法探測到水，這似乎讓“月亮是干的”成為了事實(shí)。然而，1978年，蘇聯(lián)科學(xué)家Akhmanova在Luna 24任務(wù)（1976年發(fā)射）采集的樣品中測量到約0.1 wt.%的水，而該結(jié)果未被重視。直到1994年“克萊門汀”任務(wù)實(shí)施前，關(guān)于月球水的研究處于停滯階段?！翱巳R門汀”利用雷達(dá)技術(shù)對月球兩極進(jìn)行探測，雷達(dá)波的反射模式認(rèn)為極區(qū)永久陰影區(qū)的月壤中存在水冰，但阿雷西博地面望遠(yuǎn)鏡觀測表明非永久陰影區(qū)也存在類似的雷達(dá)波反射模式。水的組成元素是氫和氧，那么，測量月球氫的含量可能是探測水的一個方式。因此，1998年月球勘探者號攜帶了一臺中子譜儀進(jìn)入月球軌道，探測到大量的氫，模型估計月球極區(qū)可能存在數(shù)億噸的水。
探測月球水更直接的方式——在月表反射光譜中尋找水分子或羥基的吸收特征。2009年，“月船一號”搭載的月球礦物繪圖光譜儀發(fā)現(xiàn)，在月球上水隨處可見，且水含量隨緯度的增加而增加，另外，水含量還隨太陽照射角度的變化而有所變化，這暗示了月球水的太陽風(fēng)成因。這或許是很多人第一次意識到月球上有水（這里的“水”是指水分子或羥基）。前往土星的“卡西尼號”飛掠月球時的光譜觀測也證實(shí)了“月船一號”的探測結(jié)果，此外，“月船一號”團(tuán)隊請求當(dāng)時正前往彗星的探測器“深度撞擊號”（Deep Impact）對月球進(jìn)行光譜測量，同樣支持“月船一號”的結(jié)果。同年，隨“月球勘測軌道飛行器”（LRO）一起升空的“月球觀測和傳感衛(wèi)星”（LCROSS）以2.5公里/秒的速度撞擊月球永久陰影區(qū)，利用光譜儀測量撞擊產(chǎn)生的部分塵埃，數(shù)據(jù)顯示水確實(shí)存在于月球上。月球水的發(fā)現(xiàn)改變了人們對月球形成和演化過程的科學(xué)認(rèn)知。新一輪的月球探測從純科學(xué)探索向科學(xué)研究與應(yīng)用并重轉(zhuǎn)變，提出了“月球村”“月球科研站”等未來規(guī)劃，水作為重要的資源也受到更多重視。
經(jīng)過半個多世紀(jì)的爭論和探測，各種“實(shí)錘”證據(jù)讓人們相信月球上有水存在，但月球水的含量、來源等仍是需要研究的問題。此外，尚未有在月表原位進(jìn)行水的探測。嫦娥五號探測器攜帶了月球礦物光譜分析儀，在采樣過程中獲取了月表的光譜，就如同我們在月球上出了一次“野外”，第一次有機(jī)會在月表近距離、高分辨的探測水的信號。
當(dāng)前，光譜技術(shù)是探測月球水及其分布較為直接的方式。羥基（OH）和/或水分子在光譜3微米附近具有明顯的吸收特征。通過分析3微米附近的光譜特征，可識別月表水并獲得水含量。這里的“水”指的是指水分子或羥基，這是由于目前獲得的月球光譜遙感數(shù)據(jù)波段覆蓋范圍無法區(qū)分月表水是羥基還是水分子的存在形式。月表溫度在當(dāng)?shù)刂形缈蛇_(dá)100℃以上，如此高溫下月壤產(chǎn)生的熱輻射會改變2微米之后的光譜形態(tài)，從而掩蓋水的特征。因此，光譜的熱校正是探究月表水重要一步，而獲取準(zhǔn)確的月表溫度是光譜熱校正的關(guān)鍵（圖1）。月球LRO衛(wèi)星的DIVINER探測器可以獲取月表的溫度，但均是利用熱紅外波長（>7微米）進(jìn)行測量，由于月表非等溫性和不同波長的穿透深度不同，且真空條件下月壤層存在較大的熱梯度，從以熱發(fā)射為主的光譜波段估算的溫度不能直接適用于2-4微米的區(qū)域。由于在2-4微米的光譜區(qū)域，光譜儀接收到的反射和發(fā)射能量均占較大比例，因而從光譜中準(zhǔn)確估計溫度頗具挑戰(zhàn)性。
目前，主要是利用實(shí)驗室經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行月表光譜的熱校正。經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪抢冒⒉_樣品光譜建立起1.55和2.54微米之間的關(guān)系，基于這個關(guān)系預(yù)測2.54微米處的真實(shí)反射率，其與觀測反射率之間的差異即為熱輻射的影響，據(jù)此可以推測月表溫度進(jìn)而校正整條光譜。經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮谠虑虻V物繪圖光譜儀（M3）數(shù)據(jù)上得到應(yīng)用，但沒有進(jìn)行原位數(shù)據(jù)的驗證。地質(zhì)地球所行星科學(xué)團(tuán)隊利用嫦娥四號月球車在月表同一區(qū)域、同一月晝不同時刻測量的一系列紅外光譜，估算了嫦娥四號著陸區(qū)的月表溫度，并對嫦娥四號光譜進(jìn)行熱校正處理，證明了經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮阪隙鹣盗腥蝿?wù)光譜數(shù)據(jù)的適用性（Lin et al., 2021）。
嫦娥五號光譜儀對采樣區(qū)約2米×2米范圍的區(qū)域進(jìn)行光譜觀測，除了月壤之外，還包括一塊沒有帶回來的巖石（圖2A）?；跓嵝Ｕ蟮墓庾V檢測2.85微米處的特征，發(fā)現(xiàn)巖石和月壤體現(xiàn)出不同程度的吸收（圖1）。實(shí)驗室數(shù)據(jù)顯示，礦物中水的含量與其光譜吸收強(qiáng)度具有很好的線性關(guān)系，這個線性關(guān)系主要與粒徑相關(guān)（圖1）。對已有月壤樣品的測量顯示，它們的平均粒徑約60-80微米，據(jù)此估算嫦娥五號采樣區(qū)的水含量在120 ppm（百萬分之120）以下；而巖石中的水含量約為180 ppm。
成分估算結(jié)果顯示，采樣區(qū)的巖石與月壤成分相差很大，來源不一致。遙感數(shù)據(jù)輔助分析顯示，該巖石可能與嫦娥五號著陸區(qū)西北方向的古老低鈦玄武巖（～34億年）比較一致。結(jié)合樣品分析研究表明，月壤中的水大部分來自于太陽風(fēng)。如果將月壤中120 ppm的水全部作為太陽風(fēng)來源，巖石中仍多出60 ppm的水（高于20%的模型誤差），多出來的這些水或代表了月球內(nèi)部水。而嫦娥五號著陸區(qū)年輕玄武巖本身的水含量低，可能說明了著陸區(qū)月幔較干或經(jīng)歷了大量脫氣的過程，這與風(fēng)暴洋地區(qū)長期的火山噴發(fā)一致。
嫦娥五號著陸器上的月球礦物光譜儀對著陸點(diǎn)的月壤和巖石進(jìn)行了反射率光譜測量，根據(jù)2.85微米的明確吸收特征，首次提供了月球上水的原位探測證據(jù)。嫦娥五號原位的科學(xué)成果在大尺度上為樣品分析提供了背景支撐。嫦娥五號是目前唯一一次既返回樣品又獲取到月表原位光譜的任務(wù)，樣品能夠詳細(xì)分析水在月壤顆粒中的分布、存在形式，并可利用同位素示蹤來源，而原位光譜可以與軌道遙感建立聯(lián)系，能夠剖析月表水的全球性分布和時間變化特征。月表水的分布可能與緯度高度相關(guān)，嫦娥五號也是目前返回樣品中緯度最高的，這對解析月表水的分布及來源具有重要意義。嫦娥六號、嫦娥七號將在原位和軌道尺度繼續(xù)探測月表水的含量、分布，而該成果將為嫦娥六號、嫦娥七號的科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支撐。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Science Advances上。
圖1.上圖為嫦娥五號測量光譜與實(shí)驗室樣品、軌道光譜對比；下圖為水的光譜吸收參數(shù)ESPAT與水含量之間的關(guān)系（Li and Milliken, 2017）
圖2.嫦娥五號采樣區(qū)背景圖和水含量
來源：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
聯(lián)系客服
