過(guò)去二十年，科學(xué)家在月表發(fā)現(xiàn)了許多存在水的痕跡。有科學(xué)家猜想，月壤深入存在含水層，驅(qū)動(dòng)著整個(gè)月球的水循環(huán)。那么，月球上的水從哪里來(lái)？?jī)?chǔ)存在何處？

現(xiàn)在，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡(jiǎn)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)院教授惠鶴九等國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)，撞擊玻璃珠可能是月球的“迷你水庫(kù)”—— 一噸玻璃珠中平均可含一斤水。相關(guān)研究3月28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(chǔ)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(méi)有大氣的小行星上水的潛在來(lái)源?！闭撐耐ㄓ嵶髡吆瓕?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。

隨著對(duì)月球探測(cè)的日益推進(jìn)，研究者認(rèn)為，未來(lái)通過(guò)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(huì)存用納米離子探針檢測(cè)嫦娥五號(hào)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，胡森把電話打給了論文另一位共同通訊作者惠鶴九。盡管對(duì)月球樣品都很熟悉，但這位合作伙伴的反應(yīng)和他一樣：“會(huì)不會(huì)是實(shí)驗(yàn)錯(cuò)了？”

從月球到火星乃至更遙遠(yuǎn)的其他行星探測(cè)，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，科學(xué)家對(duì)月球的探測(cè)次數(shù)是所有行星之最，研究表明月表雖然有水，但含量低，且呈動(dòng)態(tài)變化。

例如，月表水含量?jī)H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)明顯比低緯水含量高，極區(qū)可能存在水冰；月表水含量還呈現(xiàn)出與月球晝夜相關(guān)的變化，相同的位置晨昏時(shí)刻的水含量明顯比中午時(shí)刻高。

盡管月球幾乎沒(méi)有大氣，但月表或同樣存在水循環(huán)現(xiàn)象。

美國(guó)宇航局（NASA）月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)任務(wù)曾檢測(cè)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(cè)流星雨撞擊月球時(shí)會(huì)把月壤中儲(chǔ)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(chǔ)水層。

然而，近年來(lái)，包括胡森在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外很多研究人員對(duì)月球不同礦物或組分的研究都不支持這一假設(shè)。“這些礦物中的水含量極少?！焙瓕?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，此前他與合作者發(fā)現(xiàn)嫦娥五號(hào)月球玄武巖中的全巖水含量?jī)H為62~133 ppm。

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(chǔ)水物質(zhì)？

胡森與合作者想用撞擊玻璃珠嘗試回答這個(gè)問(wèn)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，有的則含有氣泡、金屬、硫化物等不同成分。嫦娥五號(hào)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。

初步的結(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(shuō)明它很可能來(lái)自太陽(yáng)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(guò)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(cè)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，最高可達(dá)到近2000ppm?！斑@相當(dāng)于一噸樣品中約有2公斤的水?！焙颉吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》解釋。

“打通”月球水循環(huán)鏈條

關(guān)于月表水的來(lái)源，科學(xué)家有很多猜想。例如，太陽(yáng)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(lái)。

事實(shí)上，無(wú)論是巖漿活動(dòng)，還是撞擊天體（攜帶水源），都可能通過(guò)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(lái)自太陽(yáng)呢？

對(duì)此，惠鶴九向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋：“通常，通過(guò)高溫熔融形成玻璃珠時(shí)‘水會(huì)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?！?

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(guò)鑒定其同位素（氕、氘、氚）特征識(shí)別其來(lái)源。通過(guò)對(duì)玻璃珠內(nèi)氫同位素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究人員發(fā)現(xiàn)其與太陽(yáng)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(cè)撞擊玻璃珠或能驗(yàn)證月表水循環(huán)猜想：過(guò)去數(shù)十億年的時(shí)間里，在隕石火小行星撞擊作用在月表形成玻璃珠后，太陽(yáng)風(fēng)中的氫離子源源不斷地到達(dá)月球注入表層的玻璃珠中，形成月球水的來(lái)源，并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(huì)與氧結(jié)合形成水，也可能在其他條件下被釋放出來(lái)。”胡森解釋說(shuō)，他們也發(fā)現(xiàn)有些玻璃珠甚至后期經(jīng)歷過(guò)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(guò)程。

數(shù)十億年來(lái)太空天體撞擊帶來(lái)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2.7×10^14千克。“這遠(yuǎn)比地球四大洋的水儲(chǔ)量（約1×10^21千克）低，但相對(duì)來(lái)說(shuō)還是挺可觀的?！焙f(shuō)。

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(kù)，但不包括月球兩極的冰。

胡森等供圖

玻璃珠取水前景可期

隨著月球水研究的逐步推進(jìn)，下一步如果宇航員常駐月球，是否可能直接“就地取水”呢？

惠鶴九表示，通過(guò)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，玻璃珠中的水主要是以羥基（-OH）形式存在的，如何開(kāi)發(fā)利用仍需進(jìn)一步研究。

國(guó)際審稿人認(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，阿波羅號(hào)撞擊玻璃珠的一項(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(lái)尚未報(bào)道過(guò)撞擊玻璃珠內(nèi)水的發(fā)現(xiàn)。作者進(jìn)行了一組全面的分析，有力地證明了羥基存在的證據(jù)?！币晃粚徃迦藢?xiě)道。

另一位審稿人指出，嫦娥五號(hào)返回樣品中玻璃珠強(qiáng)烈的氘虧損特征表明，其中水的是來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)，而非彗星或從月球內(nèi)部放出的氣體，解決了幾十年來(lái)的問(wèn)題，即在太陽(yáng)光照射下的月球表面發(fā)現(xiàn)的微量氫的起源。

此外，隨著探測(cè)能力的提升，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的無(wú)大氣天體表面可能存在水，例如灶神星、水星等。這些天體表面探測(cè)到的水含量雖遠(yuǎn)不如地球，但仍然“吸粉無(wú)數(shù)”。研究者表示，這項(xiàng)研究對(duì)于了解這些行星低緯度地區(qū)水的來(lái)源和成因也有重要啟示。

“后續(xù)更深入的精細(xì)研究，例如無(wú)大氣天體表面水的來(lái)源、保存、遷移機(jī)制等細(xì)節(jié)，對(duì)未來(lái)深空探測(cè)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(shuō)。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41561-023-01159-6