水分子现身月球光照区但离成为资源还有很大距离

作者：小菜更新时间：2025-04-25 点击数：

简介：水分子现身月球光照区但离成为资源还有很大距离

【菜科解读】

地球这颗蓝色星球，依靠大量珍贵的液态水，孕育出蓬勃生命。

但与地球相隔仅38万公里的月球，却一片荒芜，寸草不生。

月球究竟有没有水？科学家从未停下探索的脚步。

此前科学家推测，月球背面常年阴暗的陨石坑里可能藏有冰。

如今，两项最新研究证实，月球光照面也可能存在水。

10月26日《自然·天文学》发表文章称，美国国家航空航天局依靠平流层红外天文台索菲亚，在月球光照区——月球南半球的克拉维斯环形山表面，首次探测到了水分子。

这一发现表明，水可能分布在整个月球表面，而不仅限于阴暗的月背。

换句话说，即使在太阳辐射下，水也能在月球表面存在着。

月球光照面的水从何而来？此次发现是否会改写此前月球水的来源理论？月球光照面的水资源是否可以被我们所利用？

6微米波段出现水分子信号

确切地说，这并不是月球上首次发现水。

月球上可能存在水的线索，是通过水组分的信息一点点拼凑出来的。

南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者，科学家一般通过光谱的遥感探测来寻找水分子信号，而水冰的光谱在2微米波段附近，具有显著的特征，所以科学家一般通过这些特征来寻找月球上的水。

1998年，NASA的月球探勘者号探测器搭载了一台中子光谱仪，在月球南北极探测到了氢元素的富集。

这可能来自水，但也可能来自任何含有氢的物质。

对于科学家来说，那些被阳光照射到的，温度较高的区域是否存在水，更加令人着迷。

而在月球光照区发现水的线索，则要到2009年，印度月船1号、NASA的深度撞击号和卡西尼号3个不同的探测器，在阳光照射的月球表面发现了疑似水的微弱痕迹，但他们无法分辨那究竟是水，还是水的组分羟基。

当时，这几个探测器的光谱仪，工作波段大多在可见光到近红外线的范围，只能通过2.8—3.0微米波段的反射光谱吸收带，来判断探测到的物质。

羟基、水在3微米波段附近有不同的吸收特征，但当时的探测器没能完整覆盖这个区域，所以科学家无法判断探测到的物质到底是羟基还是水分子。

水分子现身月球光照区但离成为资源还有很大距离

当时有一种观点认为，月球表面存在羟基，羟基结合上氢就可以形成水，而宇宙中存在着大量的氢，所以有羟基基本上就可能有水，但也不能说有羟基就一定存在水分子。

周礼勇说。

想要明确分辨羟基和水分子，并非无计可施。

水分子在6微米波段有个独特的辐射信号，这是羟基完全没有的特征。

但是，想要检测到这种红外波段非常困难，目前的月球探测器上都没有装载能检测6微米红外波段的光谱仪。

而地面观测器也无能为力，因为地球大气层中的水蒸气会隔绝这个波段的光。

于是，让飞机带着光谱仪飞到合适的高度进行探测，就成为不错的出路。

执行这次特殊任务的索菲亚，是一架改装过的波音747SP喷气客机。

它搭载望远镜的观测波段，覆盖5—8微米，非常适合在6微米波段寻找水分子。

2018年8月，当时还在美国夏威夷大学攻读博士学位的凯西·霍尼鲍尔及其合作者用索菲亚搭载的红外望远镜，对月球正面光照区——月球南半球高纬度的克拉维斯撞击坑一带进行了观测。

结果天遂人愿，他们在辐射光谱里发现了6微米波段的辐射信号，说明那里确实存在水分子。

比撒哈拉沙漠干燥100倍

在阳光照射的月表，水分子想保留下来非常不易。

此次的探测数据显示，水被困在月球表面的土壤中，浓度为百万分之100至400，相当于每千克月壤中含有100—400毫升水。

凯西指出，这比撒哈拉沙漠还要干燥100倍。

不过精确的水含量需要进一步验证，因为这一估值是基于月球表面的一个时间、一个地点的一次观察结果得出的。

让人感到不解的是，这些水分子是如何保留下来的？

有一种设想认为，可能是携带水的彗星，从距离太阳很远的地方撞击月球，将彗星上的水以某种形式束缚在了月球上；但也有可能是太阳风中的氢和月球表面的氧反应后，形成羟基，进而与氢离子结合形成水分子。

周礼勇说，含水的彗星等撞击月球表面产生的能量熔化了月球表面的岩石和土壤，当熔化物迅速冷却成玻璃体时，彗星带来的水就会被封入其中，可以在月球表面严苛的环境中长期存在。

还有一种可能，就是水是月球原生的。

周礼勇表示，现在的主流观点认为月球的形成过程不包含水。

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水分子现身月球光照区但离成为资源还有很大距离

在远离太阳2到3个天文单位之外，温度低到雪线以下，水才会以固态形式参与行星的形成过程，进而保留在行星之中。

地球、月球距离太阳只有一个天文单位，按理说不会有水，这也是为什么地球上水的来源迄今仍然是科学家研究的重要问题。

月球本身是否含有与生俱来的水，这个问题与月球的起源及经历的地质演化密切相关。

2009年10月，NASA的月球陨石坑观测和传感卫星探测器部分撞击月球南极附近的阴影区，在撞击羽流中探测到了水分子的证据，从而证实阴影区存在冰。

美国科罗拉多大学博尔德分校的保罗·海尼等研究者计算了阴影区的面积，它们大约在4万平方千米左右，其60%位于月球南极。

研究人员认为，这些区域具有捕获水的能力，也就是说，这4万平方千米的区域如果都存在水分子，那么冰的总量相当于几十亿公斤的水，但实际情况如何，还需要进一步验证。

还需弄清分布和储存结构

对于探索月球的人类来说，水是一种非常珍贵的资源。

假如宇航员需要在太空驻留半个月甚至更久，月球如果存在可以利用的水资源，就不用耗费巨资从地球上运送水。

此外，随着人类深空探测的脚步加快，未来对于遥远天体的探测需要建立中转站。

水能够裂解成氢气和氧气，成为火箭燃料的原料，也可满足宇航员的呼吸需求。

如果月球有充足的水，就可以作为人类深空探测的落脚点。

提及应用前景，周礼勇对未来充满期待。

有数据显示，现在把一升瓶装水从地球带向月球的成本为3.5万美元，如果能开发月球的水资源，将极大降低探月成本。

不过，没有大气层保护，月表太阳照射面的水源是否可以利用？这还需要弄清楚水在月表的分布范围、埋藏深度、是否能长期保存等。

周礼勇认为，月表水是否能利用，该怎样利用，需要做更多检测，例如水含量是否足够高，在哪些地区富集，是否能达到开采的级别，水在月表储存的机制是什么，需要用什么样的技术才能把水有效地收集起来。

这些发现确实令人兴奋，很有研究和应用的前景，但成本目前还无法预料。

周礼勇说。

本报记者金凤

一种降低在月球上丢失太阳能漫游车风险的新方法

我们方法的概念性概述。

大多数用于太阳能供电的长距离导线规划算法没有主动考虑可能的导航延迟。

在这里，虚白色路径显示了一个计划，该计划将PSR内的漫游车尽快引向阳光，但它对可能的延迟没有弹性，这种延迟将导致漫游车落后于计划，并错过关键的太阳能充电事件。

另一方面，主动考虑延迟蓝线的规划策略将使漫游车走上潜在的更长但更安全的轨迹。

鸣谢:uux.cn/背景图像和蝰蛇漫游者渲染:美国宇航局和亚利桑那州立大学。

据美国物理学家组织网（英格丽德·法德利）：美国宇航局和世界各地的其他太空机构定期向太空发送机器人和自动飞行器，以探索太阳系中的行星和其他天体。

这些任务可以大大提高我们对太阳系其他地方的环境和资源的了解。

多伦多大学航空航天研究所和美国宇航局喷气推进实验室 JPL的研究人员最近进行了一项研究，探索可以提高使用太阳能漫游车进行月球探索的有效性和成功率的回收策略。

他们的论文预先发表在arXiv上，介绍了一种新的方法，可以帮助太阳能漫游车安全地离开月球上永久的阴影区域。

领导这项研究的研究员Opvier Lamarre告诉Phys.org:近年来，几个国家已经表示对探索月球南极感兴趣，包括美国、中国、印度、俄国和其他国家。

。

他们中的大多数人计划使用太阳能漫游车来探索经常处于阴影中的区域称为永久阴影区，或PSRs，我们怀疑这些区域可能包含大量的水冰。

可以想象，用太阳能漫游车进入PSR是一项冒险的尝试！如果漫游车因故障而延迟，它可能无法在能量耗尽前回到阳光中。

太阳能漫游车在能效方面有许多优势，但它们受到依赖太阳光运行的限制。

由于月球上的一些区域永久处于阴影中，漫游者对阳光的依赖可能会阻止他们安全地探索然后离开这些区域，导致他们在执行任务时耗尽能量。

拉马尔和他的同事最近工作的一个关键目标是量化失去太阳能漫游车的概率，因为他们正在探索月球上的这些阴影区域。

此外，该小组希望设计一种方法，帮助最大限度地提高太阳能漫游车安全完成任务的概率。

首先，我们需要定义太阳能漫游车在月球南极‘安全’意味着什么，拉马尔解释道。

为了做到这一点，我们关注漫游车在什么地方、什么时间离开PSR，以及它的电池还剩多少能量。

这表明了漫游车在下一段任务之前是否可以在原地冬眠因此，在那之前保持安全。

然后，我们计算一种在线遍历规划方法，漫游车可以从任何起始状态包括PSRs内部开始遵循该方法，以最大化其生存概率。

拉马尔及其同事概述的规划方法被称为恢复政策，因为它本质上是一种后备策略，允许漫游车最大限度地增加到达安全的机会即阳光将到达的区域，为其电池充电。

在他们的论文中，研究人员表明，在这种情况下计算这种复苏政策可能具有挑战性，因为它需要几个近似值，如果非常不正确，可能会影响整体预测的可靠性。

例如，时间是我们状态空间的连续维度，需要离散化，拉马尔说。

我们需要确保这种近似/离散化不会危险地扭曲对故障概率的预测。

在月球南极，太阳光照是高度动态的；附近的山脉和环形山可能会在地表投下巨大的阴影。

如果与近似政策假设相比，漫游者稍微落后于计划，它可能会错过关键的太阳能充电期。

如果比政策设想的提前一点，也是如此。

由于这些时间近似值极大地影响了太阳能漫游车回收政策的可靠性，拉马尔和他的同事们保持了高度保守。

这最终将失败的风险降至最低，同时增加了该策略在现实任务中保持安全的可能性。

我们认为这种方法在许多方面都是有用的，拉马尔说。

首先，它代表着向远程自主移动规划算法迈出了一步，该算法主动考虑或‘推理’太阳能漫游车的风险。

此外，我们的技术可以成为人类操作员在月球南极制定新的月球车任务的有用工具它可以用于着陆点选择、全球遍历规划和风险预测等，甚至可以通过地面回路操作支持正在进行的任务。

在未来，这个研究小组引入的回收政策可以应用于月球上的真实世界探索任务，以降低在阴影区域丢失太阳能漫游车的风险。

由于最近的研究是与美国宇航局的JPL合作进行的，这种方法很快就可以在各种现实的月球场景中进行测试。

到目前为止，我们使用Cabeus环形山的轨道数据测试了我们的方法，但我们希望使用美国宇航局定制的太阳照明地图，并将我们的技术应用于月球南极的许多其他区域，这些区域有一天将被机器人或载人任务访问，如Shackleton，Faustini，Nobile，Haworth和Shoemaker环形山，Lamarre补充道。

此外，我们目前正在研究新一代风险预测远程导航算法，用于利用太阳能漫游车探索月球南极。