新闻背景 一直以来，人们都在致力于寻找月球上水存在的证据。近年来，随着探测设备和数据分析水平的提高，月球寻水的收获颇丰。日前，科学家首次直接观察到月球表面存在水冰的确切证据，这一发现让人们对于如何更好地利用月球资源以及建立月球基地产生了更多期待。 缘起——人类对月球存在水的美好憧憬 月球作为我们的近邻，也是自古以来被人类观察最多的星球，人类一直寄希望于月球上有水的存在。很早以前的古希腊人，就在通过肉眼观察月球表面时，想象着那些看起来暗一些的区域可能是海洋，而亮一些的区域则是陆地。 当17世纪初望远镜发明以后，天文学家便不再仅仅用肉眼观察星空，而是可以借助望远镜对夜空的天体进行更为细致的观察。哈里奥特和伽利略等人在用望远镜观察我们的近邻月球时，发现月球表面有一些大小不等的暗色区域，按照当时人类对于地球的认识，他们猜测那些反光弱的暗区是月球上的海洋，就用拉丁文“maria”（海）来称呼。而同时把相对比较光亮的地方，称之为月陆。 我们知道，由于潮汐锁定，月球始终只有一面对着我们，这一面中约有三分之一是早期天文学家眼中的月海。1651年，来自意大利耶稣教会的两位天文学家绘制了较为详细的月面图并命名了许多的月貌特征，其中不仅有月海，还有小的月湖、月湾和月沼，足以说明当时天文学家对于月球上有水的无限期待。虽然现在我们知道在月球表面存在液态水的概率微乎其微，更别说江河湖海了，那些看起来稍显暗淡的区域其实是月球表面地势较低的平原，但三百多年前命名的那些月海已经成为一种习惯称呼，绝大多数依然被沿用至今。像我们国家发射的嫦娥三号月球探测器就着陆在“雨海”之中，但是“玉兔号”月球车睁开眼睛看到的只有岩石和土壤，她并没有畅游在海中，也没有被任何雨水淋到。 历史——对于月球是否有水存在的科学探索 如果说月海的命名是人们对于“月球表面跟地球一样充满液态水”的美好幻想的话，那么1961年加州理工大学沃森等人提出的“水冰可能长时间存在于月球永久阴影区域”的观点，则更多的是基于科学认知和分析计算后的合理推测。 美国“阿波罗”登月宇航员带回了大量月球岩石和土壤标本，科学家从中检测到了微量水的痕迹，但经过测定其中氧的同位素比率与地球上氧的同位素比率相近，科学家无法加以区分，所以当时绝大多数观点都认为这些水的痕迹是被地球污染的结果。 1976年，前苏联“月球24号”探测器挖取了月表下2米深处的月球样品，几经辗转顺利带回了位于莫斯科的实验室。随后三位苏联科学家发表了一篇俄文论文，宣布在这170克样品中发现了0.1%含量的水。他们声称虽然在检测过程中采取了一切可能的措施避免实验室中水蒸气对于样品的污染，但是依然不敢担保这一结果绝对没有遭到任何污染。这一结果在当时没能引起国际同行的足够重视，后因没有其他后续论文引用和跟进研究而石沉大海。 经历了一段沉寂期后，上世纪90年代开始，第二次探月高潮在多个国家的共同发力下到来，而月球上水存在的面纱也被逐渐揭开。 1994年发射的“克莱门汀号”月球探测器，在对月球南极阴影区进行雷达探测时，接收到的部分雷达回波的强度和极化性质与干燥的岩石土壤回波性质不同，呈现出与挥发性冰类似的特征，当然也有可能是甲烷或者其他固态挥发物。这一发表在《科学》杂志上的结果并没有定论。 与雷达探测不同，1998年发射的“月球勘探者号”探测器，则携带了可以测量氢含量的中子探测仪，试图从另一个角度探寻水的痕迹。它也的确在月球两极地区，尤其是北极探测到了较为丰富的氢。当然氢的富集可能是水，亦有可能是其他含氢物质造成的，所以基于这一结果科学家还是无法确切证明水的存在。 十年后，美国又一并发射了“月球勘测轨道器”和“月球坑观测和遥感卫星”，前者对月球整体进行更为细致的研究（包含一个类似“月球勘探者号”的中子探测设备），而后者专门负责撞月找水，各司其职的兄弟俩又有了许多新的发现。其中“月球坑观测和遥感卫星”在撞击南极永久阴影区的一个陨石坑后，通过对撞击过程中大量数据尤其是光谱数据的细致分析，科学家在撞击溅起的蒸汽和粉尘，以及个头较大的碎石颗粒中，都探测到了含有水的特征，从而间接证实月球极区的永久阴影区里确实有水。至于这些水是来自于月表还是月下更深处，它们到底是什么存在形式，当时还无法定论。 值得一提的是，印度于2008年底发射的“月船1号”，上面搭载的诸多探测设备都为月球寻水提供了更多宝贵数据，其中的明星设备无疑是美国研制的月球矿物绘图仪，它是一台成像光谱仪，通过它可以对月表进行高分辨率的空间和光谱绘图。2009年发表在《科学》杂志上的文章，就宣布在较为寒冷的高纬度地区和许多陨石坑中，都发现了大量羟基（OH）或是含水矿物质的吸收特征，但科学家依然无法对上述两种水的具体存在形式加以区分。也就是说，科学家通过上述种种探测研究，得到的都是月球上有水存在的间接证据，并没有找到百分百的直接证据。 当下——月表存在水冰的直接证据 上面我们只是简要介绍了部分月球找水的历史。细心的读者不难发现，近些年来，许多不同探测器都在月球南北极的永久阴影区里找到了很多水存在的线索，常年不被阳光照射的低温环境也的确可以将水以水冰的形式固定在那里。科学家们也把更多的研究精力投向了这些区域，期待能够有新的突破。终于功夫不负有心人，2018年8月20日，夏威夷大学的李帅所带领的团队发表文章宣布，他们首次在月球表面发现了水冰存在的直接证据！而这一结论所基于的数据，就是上面提到的，十年前发射的“月船1号”上携带的月球矿物绘图仪。 李帅团队重新分析了波长范围在0.46-2.98微米（1米的一百万分之一）的数据，通过其中位于1.3、1.5和2.0微米处的吸收特征来判断水冰的存在与否。经过了细致巧妙的分析和充分论证后，他们确认了多处水冰存在的位置，并绘制了月球两级水冰的分布图。虽然他们找到了月球表面水冰存在的确凿证据，但是目前的研究发现这些水冰不仅分布范围较少（只暴露在大约3.5％的阴影区域），而且还与大量的其他杂质混合在一起，纯度也不高。如此稀疏的覆盖和异质性表明，这种月球水冰与其他无大气岩石世界（例如水星和谷神星）极区中发现的大量高纯度水冰有着截然不同的产生演化历史。当然了，由于月球矿物绘图仪只能探测月表很浅层的区域，那这之下是否有更多水冰的存在，那里水的纯度是否会更高，这些问题都值得科学家们进一步分析研究。 未来——水冰存在可以更好地利用月球资源 月球作为距离我们最近的星球，虽然受限于月球环境的特殊性，我们无法大量移民到月球居住生存，但是月球仅有地球六分之一的表面重力是作为太空中转基地的理想场所，以月球作为跳板，发射航天器会节省很多燃料获得更大的推力，从而助力未来人类航天器飞向更加遥远的宇宙深处。此外，月球上大量的氦-3资源也同样等待着人类去建立基地开发利用。 月球上水冰的存在或将成为未来建立月球基地时降低成本的重要因素，毕竟相比于从地球通过航天器运输水（或氢气和氧气）到月球，直接在月球上就地取材无疑是更加理想的方式。 虽然这次直接发现的月表水冰含量并不大，但科学家也寄希望于月表下更深处会贮藏着更多的水冰。如果未来调查发现含量特别大，人类可以在月球上直接设法开采这些水冰，为直接饮用甚至可能种植的农作物提供液态水；也可以通过配备太阳能电池板或核发电机将水分解为氧气和氢气，供给人类呼吸以及作为火箭燃料使用。不仅如此，水冰中的氢也可用于提取月球土壤中的氧化物，进而获得更多的氧气。 总之，这次月球表面发现水冰的确凿证据，必将带来科学家研究月球和未来利用月球资源的新热潮，或许不久的将来，宇航员就可以在月球上建立基地，并利用月球上的水冰进行生活和工作。让我们期待那一天的早日到来。
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