月球移民前提

月球上有水嗎？

月球是距離地球最近的天體。長(zhǎng)久以來(lái)，月球都被認(rèn)為是人類(lèi)最可能實(shí)現(xiàn)星際移民的理想地點(diǎn)。雖然早在20世紀(jì)60年代，人類(lèi)就已踏足月球表面，但若想實(shí)現(xiàn)月球移民，甚至建立月球基地，還有一個(gè)十分重要的資源問(wèn)題需要解決—水。月球上是否存在水？

1961年，美國(guó)科學(xué)家肯尼思·沃森等人率先提出了月球可能存在水冰的設(shè)想。幾十年來(lái)，科學(xué)家一直在尋找月球水存在的證據(jù)及其可能的來(lái)源途徑。近日，一篇發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》的研究文章指出，從地球上層大氣逃逸的氫和氧離子，或在月球上結(jié)合，成為月球上已知水冰的可能來(lái)源之一。目前，月球水已然成為國(guó)內(nèi)外行星科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。月球水既具有重要的科學(xué)意義，也蘊(yùn)含著潛在的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)其展開(kāi)研究不僅有助于理解月球演化歷史，更有助于未來(lái)月球科研站、月球基地等的建設(shè)，為動(dòng)植物生存、火箭燃料等提供關(guān)鍵資源。

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為啥月表看不到水？

與地球不同的是，月球本身沒(méi)有全球性磁場(chǎng)，也沒(méi)有濃密大氣的保護(hù)，其表面直接暴露在極端溫度和惡劣的太空真空環(huán)境之中。此外，月球表面的平均溫度可以從白天的約100攝氏度，下降到夜晚的零下150攝氏度左右，如此大的溫差使得液態(tài)水無(wú)法穩(wěn)定存在。因此，此前人們普遍認(rèn)為月球如同沙漠一般干燥無(wú)水。但隨著觀測(cè)研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球極區(qū)有些撞擊坑底部的永久陰影區(qū)，終年不受太陽(yáng)光照射，溫度極低，在真空條件下，水冰可能穩(wěn)定存在。20世紀(jì)90年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“克萊門(mén)汀”號(hào)探測(cè)器上雷達(dá)在月球南極永久陰影區(qū)的回波存在異常；NASA“月球勘探者”號(hào)探測(cè)器上的中子譜儀顯示月球永久陰影區(qū)有大量的氫。

2010年，美國(guó)的衛(wèi)星撞擊月球的永久陰影區(qū)，在濺射的塵埃中發(fā)現(xiàn)了大量的水冰，證實(shí)了月球水的存在。2020年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)首次通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)證實(shí)月球表面存在水；2022年1月，我國(guó)嫦娥五號(hào)月球著陸器首次獲得月表原位探測(cè)數(shù)據(jù)，月球存在水從此有了“現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)”。

2013年8月，美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)的研究人員利用印度“月船一號(hào)”探測(cè)器上攜帶的月球礦物繪圖儀，對(duì)位于月球赤道附近的布利奧隕坑進(jìn)行成像分析，發(fā)現(xiàn)布利奧隕坑中心峰含大量氫氧基。研究人員認(rèn)為這是布利奧隕坑含有月球深部巖漿水的直接證據(jù)，表明月球在形成之初就有可能存在水。

重大發(fā)現(xiàn)

月壤樣品存在月球內(nèi)部原生水

6月15日，國(guó)際科學(xué)期刊《自然·通訊》在線(xiàn)發(fā)布了我國(guó)嫦娥五號(hào)的一項(xiàng)重要研究成果，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員李春來(lái)、劉建軍和上海技術(shù)物理研究所研究員舒嶸領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，與地質(zhì)與地球物理研究所、物理研究所、地球化學(xué)研究所等單位合作，在國(guó)際上首次將月球樣品的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果和月表就位探測(cè)的光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合，檢驗(yàn)了月球樣品中水的有無(wú)、形式以及含量多少，回答了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)水的分布特征和來(lái)源問(wèn)題，為遙感探測(cè)數(shù)據(jù)中水的信號(hào)解譯和估算提供了地面真值。

月球有沒(méi)有水、有多少水、水是什么形式的、又來(lái)自哪里，這些問(wèn)題一直存在著很大的爭(zhēng)議，同時(shí)也一直是月球科學(xué)研究的熱點(diǎn)。在嫦娥五號(hào)任務(wù)立項(xiàng)論證之初，研究團(tuán)隊(duì)就提出將著陸器上的月球礦物光譜分析儀光譜范圍拓展到3.2微米，并實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首次月表水光譜吸收特征的就位探測(cè)（即原位探測(cè)）。

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月球樣品返回地球后，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)返回月球樣品進(jìn)行了系統(tǒng)分析，實(shí)驗(yàn)室光譜分析再次驗(yàn)證了羥基水的存在，但對(duì)“水”的存在形式、含量和來(lái)源等方面的研究，則需要詳細(xì)的礦物巖石學(xué)分析。此前，在對(duì)阿波羅月球樣品研究后，研究人員認(rèn)為月壤中（撞擊）膠結(jié)玻璃包含了太陽(yáng)風(fēng)長(zhǎng)期注入形成的羥基物質(zhì)，膠結(jié)玻璃的含量是影響月球樣品中“水”含量的重要因素。我國(guó)返回樣品的實(shí)驗(yàn)室分析表明，嫦娥五號(hào)月球樣品是一類(lèi)年輕玄武巖，膠結(jié)玻璃含量很少（不足16%），僅為阿波羅11號(hào)月球樣品的1/3，由此估算嫦娥五號(hào)月壤樣品中來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)注入膠結(jié)玻璃形成的“水”不多于18ppm。同時(shí)，嫦娥五號(hào)著陸區(qū)月壤樣品中外來(lái)撞擊濺射物含量也非常低，對(duì)月壤樣品中“水”的貢獻(xiàn)基本可以忽略不計(jì)。

因此，嫦娥五號(hào)月壤樣品中肯定存在來(lái)源于月球內(nèi)部的原生水。對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品的實(shí)驗(yàn)室分析，發(fā)現(xiàn)了至少一種含水礦物—羥基磷灰石，其含量不均勻，折合樣品羥基水的含量從0ppm到179ppm不等（平均約17ppm），證明了嫦娥五號(hào)月壤樣品中存在來(lái)自巖漿結(jié)晶過(guò)程的“水”，說(shuō)明“水”在月球晚期巖漿活動(dòng)過(guò)程中不僅存在，而且可能起到了非常重要的作用。

不僅有水還有石英

近日，中國(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心成員、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所杜蔚團(tuán)隊(duì)在嫦娥五號(hào)月壤樣品中發(fā)現(xiàn)了共生的二氧化硅的高壓相——賽石英和斯石英。據(jù)了解，撞擊作用是月球表面物質(zhì)混合的重要地質(zhì)過(guò)程，是控制月壤形成和演化的重要因素。高壓礦物作為撞擊事件的重要記錄者，對(duì)限定巖石受沖擊的溫壓條件及反演撞擊坑的大小有重要意義。但是，無(wú)論月球返回樣品還是月球隕石，都極少發(fā)現(xiàn)高壓礦物相，限制了通過(guò)月球樣品反演月表的撞擊過(guò)程的研究。

中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)詳細(xì)研究賽石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃的形態(tài)特征及分布規(guī)律，推斷賽石英和斯石英形成機(jī)制為固固相轉(zhuǎn)變；受撞擊過(guò)程的動(dòng)力學(xué)控制，賽石英作為亞穩(wěn)相在較低壓條件下出現(xiàn)，隨溫度的升高部分賽石英轉(zhuǎn)變?yōu)樗故?，因此，該二氧化硅碎屑記錄了一次月表撞擊事件的升壓和緊隨其后的升溫和降壓過(guò)程。通過(guò)其形成的溫壓條件結(jié)合撞擊條件模擬計(jì)算，推測(cè)該二氧化硅碎屑很有可能來(lái)自嫦娥五號(hào)采樣區(qū)南面的Aristarchus撞擊坑。本研究是首次在月球返回樣品中確認(rèn)發(fā)現(xiàn)賽石英，為前人通過(guò)遙感數(shù)據(jù)分析提出的嫦娥五號(hào)采樣區(qū)存在遠(yuǎn)處撞擊坑濺射物的觀點(diǎn)提供了重要證據(jù)。

為了更好地研究

月壤的保存環(huán)境非常嚴(yán)格

嫦娥五號(hào)完成月球土壤采集任務(wù)成功返回地球，但對(duì)于地面應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，月球樣品的科學(xué)研究工作可以說(shuō)才剛剛開(kāi)始。那么，月球樣品將如何存儲(chǔ)、管理和研究呢？

根據(jù)專(zhuān)家介紹：月球樣品實(shí)驗(yàn)室主要由地外樣品存儲(chǔ)室、地外樣品制備室、地外樣品處理與物性分析室等實(shí)驗(yàn)室組成，來(lái)自月球的樣品將在這里存儲(chǔ)、解封以及處理分析。在最新建成的月球樣品實(shí)驗(yàn)室中，第一個(gè)屋子就是用于安全解封的科研裝備。由于月球上是幾乎真空的狀態(tài)，和地球上存在很大的壓差，安全解封就成了擺在科研團(tuán)隊(duì)面前的首個(gè)難題。

而最大問(wèn)題就是解封在月表真空環(huán)境下封裝的設(shè)備。為解決這個(gè)難題，科研人員通過(guò)技術(shù)和驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)了一套方案，在真空條件下獨(dú)立進(jìn)行罐子的解封，解封完之后再把樣品轉(zhuǎn)移到氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行存儲(chǔ)和處理?？蒲袌F(tuán)隊(duì)介紹，由于月球樣品產(chǎn)于高真空高還原的環(huán)境，很容易受到地球上氧和水的侵蝕、風(fēng)化和氧化，因此在氮?dú)猸h(huán)境下存儲(chǔ)的過(guò)程中，還必須嚴(yán)格控制水和氧的指標(biāo)。張廣良說(shuō)：“我們知道月球土壤樣品是粉末狀的，很容易受到地球物質(zhì)的污染，因此對(duì)于解封它的外部環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)為一個(gè)潔凈室的條件，最大限度減少地球顆粒物質(zhì)對(duì)它的污染。”

根據(jù)采樣方式和樣品使用的不同，此次采集回來(lái)的樣品會(huì)分為鉆取樣品臨時(shí)存儲(chǔ)、表取樣品臨時(shí)存儲(chǔ)、鉆取樣品永久存儲(chǔ)和表取樣品永久存儲(chǔ)四大類(lèi)，專(zhuān)家介紹：“根據(jù)采樣返回樣品的特點(diǎn)，有鉆取樣和表取樣，因此我們把這兩類(lèi)樣品分門(mén)別類(lèi)，設(shè)計(jì)不同的存儲(chǔ)裝置進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣才能夠更妥善地保管樣品。在實(shí)際過(guò)程中，我們要根據(jù)科學(xué)研究的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行分樣，必須嚴(yán)格遵守一定的操作規(guī)程，確保月球樣品在最終分析的時(shí)候，樣品量既能適用于科學(xué)研究，又不會(huì)浪費(fèi)?！睘榇耍覀?cè)跇悠烽_(kāi)封過(guò)程中，可以多次看到真空手套箱的身影，為安全開(kāi)封提供可靠地安全環(huán)境保護(hù)。

手套箱的作用，是將高純惰性氣體充入箱體內(nèi)，并循環(huán)過(guò)濾掉其中的水、氧、有機(jī)氣體等物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。也稱(chēng)真空手套箱、惰性氣體保護(hù)箱等。主要功能在于對(duì) O2、H2O、有機(jī)氣體的清除。廣泛應(yīng)用于無(wú)水、無(wú)氧、無(wú)塵的超純環(huán)境。最終保證月球土壤的安全保存。

如果真的有水

可能距離月球移民真的不遠(yuǎn)了

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