月球，这颗离我们最近的天体，千百年来一直以来都吸引着人类的目光。而水是生命之源，关于月球上是否存在水，这个问题困扰了科学家们几十年。最近，在我国嫦娥五号任务带回的月壤样品中，中国科学院物理研究所的陈小龙团队发现了一种富含水分子和铵的矿物晶体 ——ULM-1[1]，这一发现为月球上存在水提供了新的“实锤”证据，预示着未来深空探索的无限可能，也给我们带来了无限的遐想……
01、嫦娥五号的重大发现
月球上到底有没有水？这个问题已经困扰了科学家们几十年了。对 1969 年至 1972 年采集的阿波罗样品的研究表明，月壤中未发现任何含水矿物。此后，“月球是干的”一度成为月球科学的基本共识 [2]。
然而，近年来的遥感和直接撞击任务表明，月球上可能有水存在。首先是在月球两极附近的永久阴影陨石坑中，检测到的大量水分子 [3]。这些水分子通常被认为是以水冰的形式存在。
(左) 月球南北极区含有水冰的位置 (天蓝色点)，底图的灰度代表表面温度，颜色越深就越冷；(右) 三处含有水冰区域的反射光谱示例
另外，在高纬度光照区也发现了水分子存在的迹象，这说明月球上的水能以水冰以外的形式存在 [4]。不过，由于缺乏来自月球上高纬度和极地地区的样本，我们还不获得水分子存在的确凿证据。
2020 年 12 月 17 日，嫦娥五号样品舱成功着陆内蒙古四子王旗，带回了 1731 克月球样品。这是我国首次完成地外天体样品采集，也是人类 44 年来再次取回新的月球样品。嫦娥五号任务成功从月球上北纬 43.058° 的区域取回了月壤样品，这个着陆点的纬度比阿波罗和月球任务高得多，是迄今为止纬度最高的月球样品。嫦娥五号取得的月壤样品为月球水的研究提供了新的机遇。
02、这次发现的“水”到底是什么？
由于月球几乎没有大气层对太阳辐射的屏蔽作用，当太阳照射到月球表面时，温度可以升高至 120 摄氏度。在这样的高温环境下，任何液态水都会蒸发殆尽，所以人们认为月球上是不可能存在液态水的。那么这次发现的水是什么呢？
需要知道的是科学家研究的“水”并不是人们喝的“水”。这里光谱仪所探测到的“水”，指的是矿物里的水分子或者羟基，在一定条件下才能转化为我们喝的水。
这个矿物水是怎么被发现的呢？原来，在嫦娥五号带回的月壤中，我国的科研团队从样品月壤 CE5C0400 中挑选出 1,000 多个矿物碎屑。在这些碎屑中，科学家发现了一种棱柱形板状透明晶体，这种未知的月球矿物被命名为 ULM-1（unknown lunar mineral-1）。
科学家们运用多种仪器手段分析了 ULM-1 的化学成分。结果表明，在这种矿物中，水和铵以一种成分为 (NH4,K,Cs,Rb)MgCl3·6H2O 的水合物形式出现。这种水合物分子式中含有多达 6 个结晶水，水分子在样品中的质量比高达 41%。
为了确保这一发现的准确性，科学家们还进行了严格的化学和氯同位素分析。纳米二次离子质谱数据表明，该矿物的氯同位素组成和地球矿物显著不同，与月球上的矿物相符。研究人员还对该矿物化学成分和形成条件进行分析，进一步排除了地球污染或火箭尾气作为这种水合物的来源。因此，这种矿物就是货真价实的“月球水”。
这种水合矿物的发现揭示了月球上水分子可能存在的一种形式 —— 水合盐。与易挥发的水冰不同，这种水合物在月球高纬度地区（嫦娥五号采样点）非常稳定。这意味着，即使在广阔的月球阳光照射区，也可能存在这种稳定的水合盐。
03、月球上的水从何而来？
尽管现在有很多科学家进行了广泛的实验室研究和遥感探索，月球水的起源和化学形式仍然难以捉摸。科学家提出，月球上的水主要有三个来源：
太阳风
太阳风是由太阳上的等离子体和高能粒子组成的带电粒子流，它不断从太阳表面喷出并向外传播。太阳风中的氢离子与月球表面的氧结合，形成了水分子或羟基。这些氢离子是高能带电粒子，它们也可以穿透月球表面并进入月球内部，与月球内部物质中的氧结合，形成水分子。这种方法同样可以用于人工在月球上“制造”水。
陨石撞击
许多小行星和彗星经过月球，它们的撞击可能会带来水和其它挥发性物质。另外，陨石撞击月球表面时产生的高温会熔化月壤，在此类自然活动中，往往会产生上千度的高温，这足以熔化周围的土壤，最终形成玻璃状物质。同样来自嫦娥五号的另一项研究表明 [6]，月球上存在着这种封存着水的玻璃珠，就是源于小天体以及微陨石的撞击，撞击中产生的高温熔化了月壤，并在逐渐冷却后，形成含有水的玻璃珠。这些玻璃珠被称为“撞击玻璃珠”，它们可能是月球的“迷你水库”。
月球“本地水”
也有科学家认为，月球形成时就有水。月球形成于 45 亿年前，当时月球上可能就已经存在水了。例如，科学家发现月球的火山口湖结构上存在水的痕迹，而月球的火山口湖结构可能源自于形成时的火山活动。现在月球内部可能也含有水，这些水通过火山活动等方式释放到月球表面。
以上三个来源可能都会导致月球上有水。虽然先前发现的月球水通常归因于太阳风、彗星和陨石等外来的来源，但是这项研究表明，这次发现的 ULM-1 中含的水更有可能是月球的“本地水”。与水冰相比，这种六水合物的热稳定性更强，再加上其高纬度位置，可能有助于在阳光照射的月球上很长时间地保存分子水。
另外值得一提的是，这次发现的 ULM-1 的晶体结构和组成与地球上近年来发现的一种稀有火山口矿物相似。在地球上，该矿物是由热玄武岩与富含水和氨的火山气体相互作用形成。
04、月球上的水有什么用？
在月球上找到能稳定存在的水，为未来月球资源的开发和利用提供了新的可能性。
首先，水是生命之源，宇航员在月球上进行长期探测任务时，需要大量的饮用水。如果能够在月球上找到水源，将大大减少从地球运送水的成本。再就是利用这些水可以进行植物栽培和农业生产。在月球基地内种植一些蔬菜、粮食作物等，有助于实现部分食物的自给自足，减少从地球运输食物的成本和风险。对于这次的发现，研究人员陈小龙表示，“这类水合矿物中富含铵，铵是一种氮肥，我们地球上用的是碳酸氢铵。除此之外还有少量的钾，钾属于钾肥，这个发现为今后人类在月球上种植作物提供很大的可能性”。
另外，通过电解水，可以产生氧气和氢气。氧气可以供宇航员呼吸，而氢气可以作为燃料，支持月球车和其他设备的运行。
总之，水在未来的月球基地建设中具有多方面的重要应用。如果人类要在月球上建立基地并长期停留，就需要将月球上的水资源最大化地利用起来。当然，月球上的水并不那么容易被开发，因为月球上的水大多存在于极端环境下，提取和加工这些水资源将是一个巨大的技术挑战。
05、结语
月球水的研究远未结束。在科研人员看来，证实月球上存在水并估算水量，对”月球科研站”、“月球村”的规划和建设至关重要。这种新发现的水分子的存在形式也为月球资源的开发和利用提供了新思路，可能改变未来月球资源的开发模式。按照计划，我国之后发射的嫦娥六号、嫦娥七号也将在原位和轨道尺度继续探测月表水的含量、分布，这项研究成果也将为嫦娥六号、嫦娥七号的科学目标实现提供支撑。
这次从嫦娥五号的月壤样本中发现分子水，无疑是一个重要且令人兴奋的发现。尽管对月球水资源的开发困难重重，但是相信随着科学技术的不断进步，我们对月球上的水资源也将有更多的了解，为我们未来在月球上的长期驻留和资源利用提供重要支持。或许有朝一日，我们真的能在月球上生活、种菜，能看到一个绿色的月亮。
文章封面图由 AI 生成，并非真实存在。
参考文献
[1]Jin, S., Hao, M., Guo, Z. et al. Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang’e-5 lunar sample. Nat Astron(2024).
[2]Team L S P E. Preliminary examination of lunar samples from Apollo 12[J]. Science, (1970）, 167(3923): 1325-1339.
[3]Li, S., Lucey, P. G., Milliken, R. E., Hayne, P. O., Fisher, E., Williams, J. P., ... & Elphic, R. C.. Direct Detections of Surface Exposed Water Ice in the Lunar Polar Regions. LPI Contributions, 2018), 2087.
[4]Honniball, C. I. et al. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA. Nat. Astron. 5, 121–127 (2021).
[5]Jia-Long Hao,Li,et al. NanoSIMS sulfur isotopic analysis at 100 nm scale by imaging technique, Frontiers in Chemistry, 11, (2023).
[6]Honglei Lin et al.,In situ detection of water on the Moon by the Chang’E-5 lander.Sci. Adv.8,eabl9174(2022).
科学家首次在返回月壤中发现分子水，科学网
我国科学家在月壤中发现富含水分子的矿物，中科院之声
月壤中发现富含水分子的矿物，中国科学院物理研究所 A02 组
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