科學(xué)家認為，太陽風、火山噴發(fā)、小行星和彗星都有可能是月表上水的重要來源。但是月表上的水具體是怎么來的？如何保存下來？月壤中水含量有多少？月壤中的水在空間上如何分布？這些問題尚無明確答案。

圍繞這些重要科學(xué)問題，中科院國家空間科學(xué)中心和地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合團隊對嫦娥五號月壤樣品開展了實驗研究，其最新成果13日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》上。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的地質(zhì)與地球物理研究所研究員林楊挺介紹，這里所說的水不是通常意義的水，而是存在于礦物中的結(jié)構(gòu)水。因為水的主要組成之一是氫，因此通常用氫含量來表達水含量。

這張示意圖顯示了來自太陽表面的高速氫離子注入到月球表面并富集在月壤顆粒表層（2022年11月23日繪制）。新華社發(fā)（中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所供圖）

研究團隊從兩份嫦娥五號月表樣品中選取了17個月壤顆粒，包括硅酸鹽礦物（橄欖石、輝石、長石）和玻璃，利用在納米離子探針上最新研發(fā)的超高空間分辨的深度剖面分析技術(shù)，開展了氫含量和同位素的實驗分析。

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號月壤顆粒的最表層0.1微米中的水含量達到0.7%。研究人員通過氫與氘的比值分析證明，這些水都是由太陽風高速注入月球表面的。

“從太陽發(fā)射出的氫離子平均速度達到每秒450公里，它們就像子彈一樣打入月壤顆粒的表層。”論文共同第一作者、地質(zhì)與地球物理所副研究員田恒次說。

研究團隊基于再加熱實驗分析結(jié)果，對不同溫度下月壤顆粒中氫的保存開展了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示太陽風成因水可在月表中、高緯度地區(qū)得到較好保存。

據(jù)介紹，此前美國阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)月球號任務(wù)采集的月球樣品均位于低緯度區(qū)域，科學(xué)家沒有樣品來研究緯度對月表水含量可能產(chǎn)生的影響。

嫦娥五號于2020年底成功采回1731克月壤樣品。嫦娥五號的著陸點位于北緯43.06度，高于阿波羅和月球號的9個著陸區(qū)。此外，嫦娥五號著陸區(qū)玄武巖的年齡更年輕，距今約20億年。

“如此年輕的中緯度區(qū)域的月壤樣品使我們有機會能對太陽風的演化、月表水注入和遷移等方面開展研究。”論文共同第一作者、國家空間科學(xué)中心副研究員徐于晨說。

研究團隊結(jié)合嫦娥五號樣品的分析結(jié)果和美國阿波羅樣品的實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個太陽風注入與加熱擴散氫丟失的動態(tài)平衡模型。該模型預(yù)測高緯度區(qū)域月壤顆粒表層含有更高的太陽風成因水，在顆粒最表層的0.1微米中最高可達8.5%的含量。如果將這些月壤進行粒度分選，在直徑為2微米的細顆粒部分，水含量可達2%。

“這一發(fā)現(xiàn)對于未來月球水資源的利用具有重要意義。中國計劃在月球南極建科研站，我們的研究表明，月球南極區(qū)域的水含量可能比人們以往認為的還要多，而且這些月壤中的水通過粒度分選和加熱，比較容易開采利用。”林楊挺說。