慧眼識水的M³

尹懷勤

美國宇航局11月13日宣布，科學家對月球坑觀測和傳感衛星獲得的撞月數據進行初步分析后確認：月球存在水。半人馬座火箭、月球坑觀測和傳感衛星10月9日曾相繼撞擊了月球南極附近的凱布斯坑，重約2，2噸的半人馬座火箭撞月后掀起了兩部分塵埃：一部分由蒸汽和微塵組成；另一部分由質量更重的物質組成。月球坑觀測和傳感衛星攜帶的光譜儀對塵埃進行了分析，發現兩部分塵埃中都存在水的蹤跡。其實此前的9月24日，根據對印度首顆探月衛星“月船1號”傳回的數據進行的研究分析，已經發現月球表面存在水和羥基，相關報告已發表在《科學》雜志上。這是人類自1959年1月2日開始發射航天器對月球進行探測以來，首次確認月面有水。這對今后開發和利用月球資源具有重要意義。

在月球上找水，一直是航天探月活動非常關注的一個重點問題。以前主要在月球隕石坑內尋找，一直未獲結果。最近發現的月球之水，并不是隕石坑底部的地下水，也不是被土壤吸收的水，而是普遍存在的附著在月球土壤表層的水。這一發現是根據“月船1號”所攜帶的美國宇航局研制的“月球礦物質繪圖儀”(The Moon Mineralogy Mapper)，簡稱M³提供的數據資料而得出的。

M³是利用光譜掃描的方式來開展探測工作的。月球上沒有大氣層和云霧，太陽光能夠完全照射到月面上，M³在繞月運行過程中，可對月面反射太陽光的情況進行追蹤掃描分析，從獲得的數據即能判斷月球土壤中的物質元素成分。由于每種元素吸收的光波波長是事先知道的，故當某一波長的光波未被反射或反射很少時，即可推知相應的元素就存儲在月面上。換句話說，如果在M³的探測數據中找到了達到吸收峰值的光波波長，也就等于在月面上找到了與之對應的物質。

美國布朗大學行星地質學教授卡萊·彼德斯等人正是分析了這一儀器的探測數據后發現，月球兩極地區吸收的光波波長與水分子和羥基吸收的光波波長一致，才確認了月面存在水分子和羥基(氫氧根離子，OH^-)兩種物質的。水分子是由1個氧原子和2個氫原子組成的，而羥基則是由1個氧原子和1個氫原子組成的。

物理學揭示，盡管電磁波輻射源可分為黑體、灰體和選擇性輻射體三種類型，但是任何物質都輻射電磁波。太陽光也屬于電磁波。就一種物質元素來講，它輻射和吸收的光波波長是一樣的。明白了這個道理，對關于發現月表有水的新聞報道中的不同表述也就能夠予以正確理解。如。有的消息說，“月球礦物質繪圖儀”(M³)旨在通過接收礦物質發出的電磁輻射來探尋水資源。這里講的物質發出的電磁輻射即物質輻射的固定波長的電磁波，實際上就是指的物質吸收的固定波長的光波。當然，M³不僅能發現水和羥基，也能發現其他化學元素，只是前者屬首次發現，其意義重大，故特別引人注目，后者以前已經發現，并不新鮮。由于“月船1號”在極月軌道運行，M³每圈掃描月面一定的寬度，最終能將月面覆蓋一遍，每年能全覆蓋月面多次，故能給出月球物質的分布圖，這就是將其命名為“月球礦物質繪圖儀”的緣由。

關于月球表面水和羥基的來源，科學家們分析稱，其形成和滯留是一個持續進行的過程，有些月表水可能來自撞擊月球的彗星或小行星，有些可能來自撞擊事件釋放的困于月表下面的水，但絕大部分則可能來自太陽風攜帶的氫原子與月球土壤中的氧原子相結合形成的水。太陽風是日冕因高溫膨脹而向外拋出的超高速帶電粒子流，其中主要含有帶正電荷的氫原子。由于地球有大氣層的阻隔和磁場的屏蔽，太陽風無法直接到達地面，而月球缺乏這種保護，致使太陽風可直達月面。在太陽風的連續沖擊下，月面巖石的化學鏈被打破，結果釋放出氧原子，氧原子與氫原子相遇產生化合作用，就生成了水分子。

雖然發現月面有水，但是月球還沒有潮濕到可以孕育生物的地步，那里仍然是個沒有生命的世界。彼德斯表示，當我們說“月球上有水”時，并不是指湖泊、海洋或者小水洼。實際上月表水并不多，需要730平方米的土壤才能獲取一口水。

不過，盡管月表水量很少，但仍有科學家說，如果進行大量處理，也許能為未來的月球居民提供多種資源，如飲用水和火箭燃料。因為水可分解成氫氣和氧氣，二者冷卻后可變成液氫和液氧，從而可成為一接觸即可自燃的比沖較高的且無污染的液體火箭的某種推進劑。這種想法能否實現，從目前掌握的資料來看尚難斷定，需要對月球有水情況做更詳細的了解。從開發和利用月球資源來講，如果月球水量能滿足上述要求，就有可能同時滿足工業和農業用水之需，其重要作用和長遠影響將是更為廣泛的。

由此看來，進一步弄清月表水量和繼續尋找月球上的新水源仍是今后探月的主要任務。毋庸置疑，已經開展探月的各航天大國肯定會在這兩個方面作出更具針對性的努力。在探明月表水量方面，除用繞月衛星探測以外，還會出現月球車在月面進行實地考察，隨之而來的將是利用采樣返回的方式對樣本直接進行研究，直至人類重返月球在月面進行勘察。美國宇航局計劃最早于2018年最遲于2020年讓航天員重新登月，在其使命中肯定會增加探測月表水量的任務。也許屆時才能得出最后的結論。