中科院团队：证实太阳风“刮出”月表水，论文登PNAS

韩智 2022-12-29 15:09:34 来源：量子位

詹士 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

中国探月新发现！

月球特定区域富含水资源，可开发利用那种。

该成果来自国家空间科学中心（NSSC）和中国科学院（CAS）地质与地球物理研究所组成联合研究团队。

通过对嫦娥五号样本的研究，他们发现了太阳风在月球表面产生水的证据。

团队领导者林杨挺进一步阐释——他们的研究表明，月球南极区域的水含量可能比人们以往认为的还要多，且比较容易开采利用。

鉴于中国已有计划在月球南极建立科研站，该发现有着重要意义。

目前，该研究刚被国际权威学术期刊《美国国家科学院院刊》收录发表，新华社、Interesting Engineerin等媒体也均有介绍。

所以，研究者如何得出上述结论？

为什么此前美国和苏联探月任务没得出该成果？

下面展开讲讲。

证明太阳风带来了水

之前研究中，科学家们已经发现月表有水，并认为太阳风、火山喷发、小行星和彗星均可能是重要来源。

但是，上述哪个来源更重要？这些水又是如何保存下来的？尚无明确答案。

此次研究者们针对上述问题，从两份嫦娥五号月表样品中，选取了17个月壤颗粒，其成分包括硅酸盐矿物（橄榄石、辉石、长石）和石英。

需要明确的是，此番研究者们所说的水，并非通常所说的液态水，而是月壤中的“结构水”，主要以羟基形式存在于矿物中，加热是从中获取液态水的常见方式之一。

在具体研究过程中，由于水的主要组成元素是氢，研究者一般用氢含量表示水含量。

他们先对样本进行二次电子成像及透射电子显微分析（TEM），发现辉石、橄榄石等物质表层有明显太阳风造成的损伤区，厚度在60-85nm。

针对不同矿物，他们继续由表及里，利用纳米离子探针，结合最新研发的超高空间分辨的深度剖面分析技术，分析了氢及同位素的含量。

结果显示，斜长石、辉石等表面有太阳风损伤的矿物，其氢元素含量也大致集中在损伤区域（下图为灰色），在矿物内部越深的区域，氢元素含量越少。到了矿物表面300nm以下，几乎氢元素含量趋于稳定。

这印证了大量氢元素与太阳风有直接关系。

由于太阳风中氘含量极低，研究者继续通过分析样本中氘的比例，探究大量氢元素的来源。

结果发现，相关数值δD大约在−908±12‰至−992±6‰之间，对比球粒陨石(−230 ~ + 1000‰)(39,40)、彗星(−100 ~ + 3175‰)(39,41)和月球内部储层(0±200‰)(42-44)样本，该数值有显著不同，说明了氘同位素所含比例极低。

研究者认为，这证明了这些水都是由太阳风高速射入月球表面的。

那么，为什么之前探月任务没发现该现象？

研究者又对比之前阿波罗任务中的样本不同深度的含氢量。明显看出，嫦娥五号所得样本，土壤表层氢元素含量（蓝线）高于之前探月任务。

团队猜测，此次与之前收集样本纬度不同，造成了这一现象。

为此，他们基于样本再加热实验分析结果，模拟了不同温度下，月壤颗粒保存太阳风氢的数值多少，根据模拟情况，研究者认为月球高纬度地区因温度不同，土壤表面氢含量更高，预计具体数值达560ppm。

这同绕月轨道飞行器所获取的遥感结果范围（约400-700ppm）的确一致。由此，他们认为太阳风形成的水可在月表的中、高纬度地区得到较好保存。

这也解释了——为什么之前美国阿波罗任务和苏联月球号没发现大量太阳风带来的水？

因为他们所采集的样本均位于月球低纬度区域。

值得一提的是，前文的模型还预测，高纬度区域月壤颗粒表层将含有更多太阳风带来的水。

具体来说，0.1微米的颗粒最表层中，最高含量可达8.5%，到直径为2微米的细颗粒中，含量可达2%。

领导研究的林杨挺表示，“这一发现对于未来月球水资源的利用具有重要意义。”

他接着补充：

中国计划在月球南极建科研站，我们的研究表明，月球南极区域的水含量可能比人们以往认为的还要多，而且这些月壤中的水通过粒度分选和加热，比较容易开采利用。

团队介绍及月球科研站进展

上述研究论文，共同第一作者有中科院国家空间科学中心副研究员徐于晨、中科院地质与地球物理所副研究员田恒次。

领导这项研究的是中科院地质与地球物理研究所的研究员，林杨挺。

公开资料显示，他毕业于浙大地质系地球化学专业，博士由中科院地球化学所与德国马普核物理所联合培养，2004年至今为中科院地质与地球物理所研究员。

林杨挺长期致力于研究的方向为：陨石中的太阳系外颗粒与恒星演化、月球的形成演化与探测、纳米离子探针分析技术等。

看完前文，有读者也许好奇中国的月球科研站推进情况如何？

上个月，中国探月工程总设计师吴伟仁院士向央视网披露了不少细节。

该科研站位于月球南极，“基本型”包括着陆器、月球车、可起飞的飞跃器，轨道上还有轨道器，主要由嫦娥七号和嫦娥八号构建。

站内可供航天员生活工作，可解决能源问题、交通问题、通信问题，自带人的生命保障系统。未来，该设施可作为深空探测的前沿基地、也可成为飞往火星的中转站。

至于时间点，吴伟仁院士表示，2028年左右，月球科研站基本型就建起来了。

嗯，值得期待一波。

参考链接：
[1]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214395119
[2]https://interestingengineering.com/science/moon-surface-water-solar-wind
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/kS74BnJc9fnpYe_wkfjfhA
[4]http://finance.people.com.cn/n1/2022/1122/c1004-32571591.html

— 完 —

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