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最近，在我國嫦娥五號任務(wù)帶回的月壤樣品中，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種富含水分子和銨的未知礦物晶體，以確鑿證據(jù)宣告了水分子在月球上的真實(shí)存在。這種“月球水”和我們所熟知的水有何不同？是否意味著以后我們能去月球上種菜了？

月球表面含水礦物形成效果圖。（中國科學(xué)院物理研究所供圖）

01 月球水，到底是什么水？

水是地球上最常見的物質(zhì)之一，通常都以液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)存在。但月球上是否有水，一直是研究人員爭相探索的目標(biāo)。2022年，我國科研團(tuán)隊(duì)通過對嫦娥五號所攜帶“月球礦物光譜分析儀”探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，首次獲得了月表原位條件下的水含量——1噸月壤中約有120克“水”，1噸巖石中約有180克“水”。但這還不算“實(shí)錘”證據(jù)。盡管這項(xiàng)研究證實(shí)了月球有水，但并未斷定這水到底是不是月球本地“土著”，也未斷定這水是“羥基”還是“水分子”。

我們知道，月球沒有大氣層來調(diào)節(jié)溫度，也沒有磁場的保護(hù)，白天，太陽垂直照射的月表最高溫度可達(dá)127°C，晝夜溫差最大超330℃。研究人員此前多認(rèn)為月球上的水多來自太陽風(fēng)“吹”來的粒子流或隕石/小行星撞擊，且大多分布在低溫和缺乏太陽照射的永久陰影區(qū)。

但此次月壤中發(fā)現(xiàn)的水可不一般！在嫦娥五號攜帶回的迄今為止緯度最高的月壤樣本中，研究人員發(fā)現(xiàn)的是一種未知的礦物晶體——六水氯化鎂銨（ULM-1）?；趩尉а苌浜突瘜W(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)這種礦物成分為

的水合物形式，其中含有大量的水分子和銨。盡管發(fā)現(xiàn)的并不是直接的液態(tài)水或冰，但該礦物中水分子的質(zhì)量比高達(dá)41%——1噸礦物中約有410千克水分子，在加熱條件下還能以水蒸氣的形式逸出。

ULM-1的照片和成分組成。a. CE5土壤樣本的照片，b.ULM-1單晶照片，c. EDS光譜，d. EPMA光譜，e.拉曼光譜，f. IR光譜。（中國科學(xué)院物理研究所供圖）

02 為何科學(xué)家們?nèi)绱藞?zhí)著尋找月球水？

水是生命的基礎(chǔ)保障之一，水在類地行星的地質(zhì)演化中更是具有舉足輕重的作用。雖然人類早在20世紀(jì)60年代就已登上月球，但無論對于了解月球的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、形成演化以至未來進(jìn)行資源開發(fā)、打造月球基地而言，月球水都蘊(yùn)含著巨大的科研價值和意義。

科學(xué)家曾經(jīng)通過月球遙感探測測量過水分子和羥基的存在，但若想進(jìn)一步了解行星的物質(zhì)組成，采集樣本自然是最好的途徑。此前科學(xué)家在分析美國“阿波羅”號飛船帶回的月球巖石樣本時，也曾發(fā)現(xiàn)巖漿水，但科學(xué)家一直以為是樣本受到了地球的“污染”。也正因?yàn)樵虑驑颖镜恼滟F和確保樣本完整安全的高標(biāo)準(zhǔn)，研究人員從采樣、封裝、運(yùn)輸?shù)介_艙移交的整個過程都不容得一絲馬虎。

嫦娥五號采集回的樣品采用的是一種充了保護(hù)性氮?dú)獾拿芊庋b置，在處理月壤樣品時，科學(xué)家們也會使用專門的存放設(shè)施和樣品處理分析實(shí)驗(yàn)室，盡可能保證月壤樣品不被污染，科研結(jié)果才更加可信。

對于此次ULM-1的分析，研究人員排除了地球污染或火箭尾氣等外來形成因素，進(jìn)一步確認(rèn)該礦物的氯同位素組成與月球上的礦物相符。并且，這種水合物需要一定的溫度和復(fù)雜的氣氛條件才能形成，也排除了人為因素的干擾。確認(rèn)了其就是來自月壤中的“貨真價實(shí)”的水分子。

月球大撞擊成因理論認(rèn)為，月球是在在太陽系形成早期，有一顆像火星般大小的天體（通常被稱為“忒伊亞”或Theia）高速撞擊了地球后形成的。月球上的巖石，?特別是在月球表面形成的巖石主要是通過火山活動過程中的巖漿冷卻凝固形成的，此次發(fā)現(xiàn)的礦物晶體其所處的地質(zhì)年代已有含水的礦物形成，這對于了解月球巖漿活動和熱演化等有著重要意義。

更令人驚喜的是，此次研究人員發(fā)現(xiàn)月球上水分子可能存在的一種形式是水合鹽，也進(jìn)一步說明它可以長期穩(wěn)定存在于月球的陽光照射區(qū)域，這為月球資源的利用和探索提供了更為廣闊的前景。

03 月球上有水了，是否意味著我們以后離去月球上“種菜”不遠(yuǎn)了？

因這次發(fā)現(xiàn)的水合物中富含銨和少量鉀，很多人認(rèn)為人類在月球上種植作物指日可待。不過，設(shè)想我們開始建設(shè)月球基地，首先要尋找到這種水合物富集的地區(qū)，其次要克服月球上的惡劣環(huán)境以及運(yùn)輸、生命維持系統(tǒng)等設(shè)備運(yùn)行等種種難題。因此，目前暫無法支持植物或作物在月球的自然生長。

隨著科技的進(jìn)步和月球探測任務(wù)的持續(xù)深入，未來在月球上“種菜”的確有了更為接近的可能性，并幫助我們實(shí)現(xiàn)能源開發(fā)利用、行星研究以至人類在太空中的生存和發(fā)展開辟新的道路。

專家：劉勇 中國航天科普大使、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、中國空間科學(xué)學(xué)會科普工作委員會主任

審核：金士鋒 中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心副研究員

出品：科普中國

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