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作者：楊宜修

校對：劉海牧? 尹天任

審閱：李宜驊

美編：周英杰

古往今來，從遙遠的月宮傳說，到如今的月球基地，月球，是人們興久不衰的話題。對于大部分中國人來說，嫦娥奔月和吳剛伐桂等神話故事從童年就深深根植于文化語境之中。早在周代，人們已有祭月的習俗?！爸星铩币辉~最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國時期典籍《周禮》中，“龠章：掌土鼓、豳龠。中春晝，擊土鼓、吹《豳》詩，以逆暑。中秋夜，迎寒亦如之。”用白話文說就是，籥章掌管擊土鼓和吹豳籥。春二月，白天敲擊土鼓，吹奏豳詩，以迎接暑氣的到來。秋八月，夜間迎接寒氣的到來也這樣做?！盎a章”是周代的官職名稱，隸屬于“春官宗伯”（相當于后來的禮部）。這個官名的兩個字就概括了其主要工作?；a，是一種古老的管樂器，類似笛或排簫，是籥章的主要工作工具；章，則指樂章、詩章。所以，“籥章”簡單來說，就是周朝王室主要負責演奏土鼓、吹奏籥器、吟誦《詩經(jīng)·豳風》詩篇以配合農(nóng)時、舉行祭祀祈福儀式的禮官。在當時，中秋還不讀中秋，讀仲秋。讀中秋要到大約1000年后的唐朝了。古代天子祭拜日月的活動稱為“朝日、夕月”，意思就是在春分朝日，秋分夕月。對此，有一些唯美的記載留存至今，比如《大戴禮記》和賈誼《新書》所述“三代之禮，天子春朝朝日，秋暮夕月?！?/p>

陳洪綬：宣文君授經(jīng)圖，繪于1638年，現(xiàn)藏于美國克里夫蘭美術館。

圖片來源：維基百科

說完古代有關中秋的一些知識，咱們進入正題，講講水與月球吧。人們從遙遠的時代就開始好奇，月球到底是怎樣的，上面長什么樣；甚至創(chuàng)造了諸如玉兔、嫦娥、廣寒宮等故事和美好遐想。另一方面，水作為萬物之源，則是生活不可或缺的部分。然而，一直到進入21世紀以后，隨著探月技術與遙感手段的進步，人們才真正開始探究月球有沒有水、在哪有水以及如何開采的問題。那么，你有沒有好奇過，月球上的“水”究竟是怎樣的？和我們所居住的地球上的水有哪些不同？把月球水“轉接”到地球人手里，我們能像利用地球水源一樣利用月球水源嗎？更關鍵的一點——你知道在月球上，水包括但不等于液態(tài)水嗎？這一切都有什么有趣知識？本期，我們就借著中秋，帶你一探究竟。

上圖展示的是印度“月船1號”（Chandrayaan-1）探測器上的“月球礦物成分繪圖儀（M3）”所得結果。

左圖顯示月球表面的紅外反射率，右圖在同一區(qū)域用藍色標出檢測到的水分子吸收特征的強度，藍色越深表示該區(qū)域含水（或含羥基 OH）信號越強。這張圖常被NASA和印度空間研究組織（Indian Space Research Organisation）用來說明“首次確認月球表面存在水分子”的證據(jù)。

圖片來源：維基百科

月球上的“水”

在月球的科學語境中，“水”一詞并不像在地球上一樣，主要基本是指對自由液態(tài)水的統(tǒng)稱。在月球上，常見的四類水形態(tài)包括：

1. 分子水（H?O）：這是真正的水分子，可被光譜探測（如 6 μm 基頻）。

2. 氫氧基 / 羥基（OH）：氧-氫結合形態(tài)，通常與礦物中的金屬離子結合，屬于“化學結合水”的一種。

3. 水合礦物 / 含水鹽 / 吸附水 / 結構水：水分子或羥基被束縛在晶格或礦物結構中（例如水合鹽），或者被吸附在顆粒表面、微孔中。

4. 冰 / 固態(tài)水：尤其在極地陰暗處，“純”冰或混雜冰—塵混合物的形態(tài)。

月球冷阱中水冰與月壤可能的混合形式。

圖片來源：中國空間科學學報

分布規(guī)律是什么？在哪里更可能有水？

根據(jù)2023年《科學》等雜志的研究，在月球兩極，某些隕石坑深處的地形幾乎終年不見陽光，這些區(qū)域稱為極地永久陰影區(qū)（PSR），溫度極低，可長期穩(wěn)定保存冰。2009－2010年，NASA的LCROSS任務以撞擊方式探測月球南極的Cabeus暗坑，發(fā)現(xiàn)拋射物中含有水、冰以及揮發(fā)物，水含量估算在較高水平。這一結果，是迄今為止最直接的“月球冰”證據(jù)之一。但要說明的是，PSR不一定是“冰塊巨坑”，其化學組份可能混雜了塵冰或細小顆粒冰。

其次，與陰影區(qū)相對的是日照區(qū) / 非極區(qū)。雖然日照區(qū)不能穩(wěn)定存在大塊冰，但空中紅外天文臺（SOFIA）的探測結果表明，有微量分子水以ppm（百萬分之一）的級別存在。這些水可能藏在玻璃質顆粒、顆粒間隙或陰影保護的位置。

根據(jù)德國斯圖加特大學的研究，水信號經(jīng)常與地形坡度、朝向、陰影覆蓋等因素相關。舉例來說，坑壁面向陰影的面積、陰坡后背、陡崖下方等區(qū)域都可能稍微聚水。同年，NASA旗下的大學空間研究協(xié)會（USRA）發(fā)表的文章表明，在月球南極附近繪圖中，某些高地山脊和隕坑壁側面都比平原更“濕”。

從上述規(guī)律出發(fā)，未來如果選址月球基地或者水資源開采區(qū)，很可能是日照條件合理并接近永久陰影區(qū)的位置。

月球極區(qū)的平均光照情況（百分比）。

圖片來源：深空探測學報

如何把月球上的水“開采”成可用資源？

這一環(huán)節(jié)是技術與工程的核心，通常來說，要判斷一個地方值不值得開采，需要綜合運用多種探測方法，比如使用遙感/光譜/熱紅外探測方法用于判斷水的吸收特征與空間分布，雷達/微波探測則可判別冰塊反射特性與結構。除此之外，研究人員也用日照模型模擬晝夜溫度、陰影覆蓋和熱傳導情況，以評估水的穩(wěn)定性；用坡向、坡度、坑壁幾何、隕石覆蓋等地貌作為輔助和優(yōu)選因素。最后，他們會用樣品返回的方式驗證地下結構、水含量和可提取性。

在月球極端環(huán)境下，把冰或者微量水轉變?yōu)榭捎玫囊簯B(tài)水、氧氣和氫氣，需要克服不少挑戰(zhàn)，大多涉及物理、熱力、動力與材料。現(xiàn)有的幾種主流思路包括熱釋放、熱挖掘、電解水＋氫氧分離與金屬還原＋水/冰混合開采。

拿熱釋放來說，方法手段是在冰區(qū)進行加熱以使水蒸氣釋放，然后補集。但這個方法的缺點也不容小覷，能耗高并且可能損失揮發(fā)物，的可能使得讓這種方法實行起來非常困難重重。熱挖掘，字面意思，非常直接，。就是機械工具挖掘有冰的土壤后再集中加熱處理。至于電解水＋氫氧分離，則是如果將獲得的水或者水蒸氣電解，可以分出氧氣與氫氣，用于生命支持和推進劑。

最后，在沒有大量冰區(qū)的日照區(qū)，可以采用還原月壤中的氧（比如，從氧化物中釋放氧）與氣體反應來生成水或燃料。這類方法通常和純水開采互為補充。在一項由國家科學期刊（National Science Review）發(fā)表的研究中，研究人員已將嫦娥五號月壤用于 CO? 電催化反應生成 CH? 與 O?。此外，在月面操作人員極其有限的條件下，自動機器人系統(tǒng)得擔當不少重任：挖掘、加熱、采樣、催化、電解、材料搬運……

月球不同時期巖漿-熱演化示意圖。

圖片來源：中國科學院地質與地球物理研究所

里程碑時間線

16世紀的時候，達·芬奇在其著作《萊斯特手抄本》中試圖解釋月球的光度，他假設月球表面被水覆蓋并反射太陽光。在他的模型中，水面上的波浪使光線向多個方向反射，這解釋了為什么月球不如太陽明亮。

1834 年至 1836 年，威廉·比爾 (Wilhelm Beer)和約翰·海因里?！ゑR德勒 (Johann Heinrich M?dler)出版了四卷本的《月球地圖》 (Mappa Selenographica) ，并于 1837 年出版了《月亮》一書。他們認為，月球表面沒有水體，也沒有任何可察覺的大氣層。

威廉·比爾和約翰·海因里希·馬德勒出版的《月球地圖》 (Mappa Selenographica)。

圖片來源：網(wǎng)絡

阿波羅計劃、露娜24號、克萊門汀、月球勘探者……20世紀的月球觀測計劃可謂百花齊放。1961年，加州理工學院的研究人員肯尼斯·沃森、布魯斯·C·默里和哈里森·布朗首次提出了月球極地隕石坑底部可能存在冰的可能性。地球雷達測量被用來識別永久陰影區(qū)，這些區(qū)域可能蘊藏著月球冰：估計北緯 87.5 度以南極地區(qū)陰影區(qū)的總面積分別為1030平方公里和2550平方公里。隨后，研究人員對更多地形進行了計算機模擬，結果表明，可能有多達 14000平方公里的區(qū)域處于永久陰影中。

在阿波羅宇航員采集的月球巖石樣本中，他們發(fā)現(xiàn)了微量的水。最初人們認為這由污染造成，因為月球表面的大部分地區(qū)通常被認為是完全干燥的。然而，2008 年的一項月球巖石樣本研究發(fā)現(xiàn)了水分子被困在火山玻璃珠中的證據(jù)。

2009年，月球礦物測繪儀（Moon Mineralogy Mapper）等發(fā)現(xiàn)月表在 3 μm 波段有水/氫氧基吸收特征，暗示月壤可能含有 OH 或 H?O。2020年，SOFIA（空中紅外天文臺）使用 FORCAST 儀器在 Clavius 隕石坑等地測得 6 μm 波段發(fā)射特性，對應分子水信號。估算水含量約為 100–400 ppm級別?；?SOFIA 的多次觀測，科研團隊繪制了南半球高緯度月面的水分布圖，發(fā)現(xiàn)山脊陰側等局部地形處水豐度略高。在這些圖中，出現(xiàn)了“濕脊”（wet ridge）這個概念。

同年，我國嫦娥五號成功帶回約1731克的月壤樣品?？茖W家隨后在樣品中檢測到水/氫氧基信號，并估算每噸月壤中含水量約為百克級別。2025年的一篇綜述指出，每噸月壤約含 120 g 水，每噸月巖約含180g水。此外，嫦娥五號還開展高光譜成像探測，以識別 OH / H?O 分布。

嫦娥五號月壤樣品。

圖片來源：中國科學院

任務前瞻播報

1. NASA VIPER在2024年被取消后，2025年改由貝索斯所創(chuàng)立的航天公司藍色起源（Blue Origin）承擔潛在運送任務的預研工作。是否真正復活仍取決于后續(xù)評審與經(jīng)費。

2. 2024年，IM-1（Intuitive Machines）登陸近南極區(qū)域，推進南極就位技術驗證。

3. 嫦娥七號目標計劃2026 年左右進行南極水冰勘查/跳躍探測。這是面向國際月球科研站（ILRS）的長期建設藍圖。

常見誤區(qū)

Q

都發(fā)現(xiàn)水了，那是不是可用冰遍布各地？

并非如此。日照區(qū)多為ppm級分子水，不可與極地永久陰影區(qū)的坑底冰一概而論。

A

Q

雷達亮？那一定有水？

并非如此。雷達亮也可能是粗糙塊體和幾何效應導致的。

A

Q

永恒峰就是真的永恒日照之地嗎？

并非如此。只是日照率高、季節(jié)變化明顯。

A

Q

參考資料

1. 維基百科

2. Nature期刊

3. Science期刊

4. NASA Science

5. University of Stuttgart: SOFIA maps water on the moon, March 17, 2023

6. USRA Newsroom

7. Frontiers

8. National Science Review: In situ resource utilization of lunar soil for highly efficient extraterrestrial fuel and oxygen supply, September 23, 2022

9. 周禮白話文翻譯來源：古詩文網(wǎng)

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

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“名到用時方恨少”

圖片來源：Reddit

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