月亮在古代也被稱為太陰、仙緣、玉盤，幾千萬年來，陰清源的缺乏沒有改變，從古至今，人類對月亮的憧憬從未停止過。(莎士比亞)。

其中更不乏通過月亮寄托情感的神話故事和古詩詞，從嫦娥奔月到“海上生明月、天涯共此時”，從古時肉眼觀測到人類探測器第一次造訪，若干年來月亮仿佛被賦予了生命的氣息，見證并陪伴了人類的發(fā)展。

氣候觀測衛(wèi)星Dscovre所拍攝的月球從地球前方掠過的景象（圖片來源：維基百科）

作為地球唯一的天然衛(wèi)星，月球是離地球最近的天體，因其獨特的環(huán)境（如超高真空、無大氣、無磁場、弱重力等）和豐富的自然資源（鈦鐵礦、氦-3和潛在水冰資源等），一直是人類邁向浩瀚宇宙的首選目標(biāo)。迄今為止，人類在月球探測60多年的歷程中共實施了117次無人月球探測和9次載人月球探測任務(wù)。并且探索月球腳步從未停止，2020年9月，NASA發(fā)布最新版月球探測計劃：NASA’s Lunar Exploration Program Overview，在這份計劃中,NASA明確提出：2021年開始運用機器人開展月球無人探測，2024年前運送宇航員登陸月球南極，隨后將在月球南極建立“Artemis大本營”，建立環(huán)月軌道空間站和月球表面基地以實現(xiàn)人類在月面長時間駐留。之所以選址在月球南極，其很大一部分原因是由于月球極區(qū)陰影區(qū)撞擊坑內(nèi)很可能存在的水冰。

一直以來水是生命活動賴以維持的基礎(chǔ)，月球的水是月球探測的重要內(nèi)容之一，既具有重要的科學(xué)意義，也蘊含著潛在的應(yīng)用價值。月球存在水冰的設(shè)想最早由美國科學(xué)家Watson K等在1961年提出：由于月球極區(qū)的太陽入射角很小，一些撞擊坑底部可能處于太陽照射不到的永久陰影區(qū)，表層和次表層溫度常年維持在40K左右（目標(biāo)-233°C）。原始月球脫氣作用產(chǎn)生的水、彗星撞擊月表帶來的水，在如此低溫條件下逃逸進(jìn)入太空的概率很小，很可能以水冰的形式被長期保存下來，因此推測月球兩極撞擊坑底部可能存在大量水冰。

目前認(rèn)為月球水的來源主要有3種：（1）由彗星或小天體帶入。當(dāng)彗星撞擊月表并劇烈破碎時，碎塊濺落到撞擊坑永久陰影區(qū)與月壤混合；（2）由太陽風(fēng)中的氫原子與月壤和月巖中的FeO發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生；（3）月球深部釋放的巖漿水。相關(guān)研究表明，上述這些水中有20%~50%以冰的形式儲存在月球兩極撞擊坑永久陰影區(qū)。

在月球水冰設(shè)想提出后的50余年間，許多科學(xué)家持續(xù)進(jìn)行多方面的探索，包括早期的繞月軌道器、著陸器、月球車的不載人探測，阿波羅宇航員的登月考察，以及月球樣品和月球隕石在地面實驗室內(nèi)的精細(xì)分析。直到2020年10月，美國NASA宣布通過平流層紅外探測天文臺（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA）開展的紅外波段探測，在月表光照區(qū)發(fā)現(xiàn)了水分子的存在，這是人類第一次在月球表面直接探測到水分子,相關(guān)研究成果于2020年10月26日在《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）雜志上。

月球水的探測具有重要意義，首先，月球兩極永久陰影區(qū)中的水冰很可能保存了數(shù)十億年前彗星或小行星帶來的水，這些水包含了太陽系早期水的豐富信息，對于深入認(rèn)識太陽系早期水的形成機制以及后期分餾演化過程都具有重要意義；其次，對月球基地建設(shè)和后期深空探測具有重要應(yīng)用前景，由于從地球運送水到月球非常昂貴，就地開發(fā)和利用月球極區(qū)的水冰，可以解決月球基地建設(shè)中人類賴以生存的飲用水供給問題，同時通過將水分解成氫和氧，可以為進(jìn)一步開展深空探測提供燃料，也能保障月球基地的氧氣供給。

月球水冰探測歷程

克萊門汀號（Clementine）

1994年1月，美國發(fā)射克萊門汀號軌道器，搭載了一臺雙基雷達(dá)（雙站雷達(dá)或收發(fā)分置雷達(dá)，Bistatic Radar）。雙基雷達(dá)的原理是通過向月表發(fā)射雷達(dá)波信號，在地球上接收反射回來的雷達(dá)波，根據(jù)回波信號可以反演月表物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)。該雙基雷達(dá)發(fā)射的是未經(jīng)調(diào)制的S-波段右旋圓極化電磁波，發(fā)射天線是直徑1.1m的高增益天線，回波信號由美國加利福尼亞州的高斯登、西班牙的馬德里和澳大利亞的堪培拉三地70m天線組成的深空網(wǎng)絡(luò)地面站接收。

1994年4月，當(dāng)克萊門汀號繞月第234軌運行到月球南極上空200km高度，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)回波異常，沒有出現(xiàn)干燥月壤所應(yīng)具有的特征，而是呈現(xiàn)出“臟冰”水冰的特征，經(jīng)分析，認(rèn)為月球南極可能含有存在月壤中的水冰。但此結(jié)果也受到部分科學(xué)家的質(zhì)疑，他們認(rèn)為根據(jù)克萊門汀號的雷達(dá)探測結(jié)果，并不能確定一定是水冰，大入射角發(fā)生多次散射效應(yīng)會產(chǎn)生回波異常，粗糙月表等因素同樣也會引起回波異常。因此，克萊門汀號雙基雷達(dá)得到探測水冰的結(jié)果并沒有被廣泛接受。

克萊門汀號探測器（圖片來源：NASA）

克萊門汀雷達(dá)探測結(jié)果，雷達(dá)回波數(shù)據(jù)顯示第234軌雷達(dá)回波數(shù)據(jù)異常

（圖片來源：參考文獻(xiàn)8）

月球勘探者號（Lunar Prospector）

1998年1月，美國發(fā)射的月球勘探者號探測器在月球極地軌道上100km高度運行一年，后降低到50km和30km高度飛行。其搭載的中子探測儀，可以測量月球表面的氫含量，氫信號的強弱又可以反映水含量的多少。

中子探測儀的探測結(jié)果顯示在月球兩極地區(qū)存在豐富的氫，據(jù)此推測月球極區(qū)可能含有水冰，這些區(qū)域月壤中水冰的含量約為0.1%~0.3%，可能以冰粒和月壤混合物（臟冰）的形式存在。相較于雷達(dá)探測，中子探測結(jié)果引起的爭論相對較少，但由于太陽風(fēng)中含有豐富的氫，探測結(jié)果仍然無法確定月表物質(zhì)中的氫究竟是以水冰、羥基還是其它含氫化合物的形式存在。

月球勘探者號探測器（圖片來源：NASA）

月球勘探者號中子探測儀數(shù)據(jù)分析月球兩極氫含量分布（圖片來源：

參考文獻(xiàn)9）

1999年7月，在“月球勘探者”號即將完成使命之前，NASA下達(dá)指令，探測器以6115km/h的速度向月球極區(qū)預(yù)定目標(biāo)撞去，科學(xué)家原本估計撞擊將激發(fā)約18kg的水蒸氣供地基和空基觀測，希望得到無可爭議的水冰存在的證據(jù)，然而哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和德克薩斯大學(xué)麥克唐納天文臺都沒有觀測到任何有關(guān)水的信息。

月船一號（Chandrayaan-1）

2008年10月，印度發(fā)射首個月球探測器月船一號，其上搭載了由美國提供的微型合成孔徑雷達(dá)（Mini-SAR）和月球礦物制圖儀（Moon Mineralogy Mapper, M3）。微型合成孔徑雷達(dá)相較于克萊門汀號在雷達(dá)設(shè)計上進(jìn)行優(yōu)化，采取了不同的工作模式以保證判斷回波異常是由水冰-月壤混合物引起的，還是其他因素引起的。

Mini-SAR的探測結(jié)果表明，在探測的約40個撞擊坑出現(xiàn)雷達(dá)回波異常，這些撞擊坑內(nèi)的水冰很可能是以大冰塊或冰層的形式存在，分布在厚達(dá)10余米的月壤層內(nèi)。

M3的探測數(shù)據(jù)表明，在全月都存在2.8~3.0μm的紅外吸收特征，這些特征是由羥基（-OH）或水硅酸鹽礦物引起的，但無法確定是否存在水分子。直到2018年，布朗大學(xué)李帥團(tuán)隊通過月球礦物光譜儀的觀測數(shù)據(jù)在特定的波段范圍內(nèi)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)在月球南北極1.3μm、1.5μm和2μm的波段同時存在近紅外光譜吸收峰，這是水冰存在的一個獨特的特征，正是通過這三處特征吸收峰發(fā)現(xiàn)的這一直接證據(jù)，并經(jīng)充分驗證后，科學(xué)家們確定月球存在水冰。

月船一號探測器（圖片來源：NASA）

水分子在1.3μm、1.5μm和2μm的三個波段同時存在近紅外光譜吸收峰，這是水冰存在的一個獨特特征（圖片來源：參考文獻(xiàn)11）

月球勘測軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter）

2009年6月，美國發(fā)射月球勘測軌道器（LRO）和月球撞擊坑觀測和傳感衛(wèi)星（LCROSS）組合體，LRO上搭載了與月船一號同樣設(shè)計的雷達(dá)類載荷——微型合成孔徑雷達(dá)(Mini-RF)和中子譜探測載荷——月球探索中子探測器（LEND）。

但微型合成孔徑雷達(dá)的探測結(jié)果同樣產(chǎn)生爭議，無法確定雷達(dá)回波異常到底是水冰引起的，還是粗糙月表造成的。而中子探測器在月球撞擊坑內(nèi)的永久陰影區(qū)通過記錄中子計數(shù)的方法探測到了氫的含量，。但同時也有專家對探測結(jié)果提出質(zhì)疑，認(rèn)為LRO中子探測器的屏蔽系統(tǒng)不能屏蔽掉探測區(qū)以外的中子信號，導(dǎo)致測量的大部分信號來自于本底（包括衛(wèi)星材料產(chǎn)生的以及來自觀測區(qū)域以外的信號）。

月球撞擊坑觀測與遙感衛(wèi)星LCROSS由牧羊航天器和半人馬座火箭兩部分組成，目的是對月球極區(qū)永久陰影區(qū)進(jìn)行撞擊試驗以檢測水的存在。2009年10月，LCROSS上2.2噸重的半人馬火箭以2.5km/h的速度向南極Cabeus隕石坑撞去，牧羊航天器上搭載的載荷對撞擊區(qū)域進(jìn)行探測，雖然撞擊規(guī)模和效果低于預(yù)期，但經(jīng)科學(xué)家進(jìn)行分析近紅外吸收光譜后，檢測到了羥基、水蒸氣和冰的吸收峰，證實了月球永久陰影區(qū)水的存在。

LCROSS撞向南極Cabeus隕石坑（圖片來源：NASA）

LCROSS上的可見光相機拍攝，撞擊發(fā)生20秒后出現(xiàn)氣狀云柱（圖片來源：參考文獻(xiàn)10）

LCROSS觀測數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線為近紅外光譜儀光譜曲線，紅色曲線為月壤與水冰混合物光譜模型，兩條曲線重疊明顯，證明吸收特征是水冰引起（圖片來源：參考文獻(xiàn)10）

平流層紅外探測天文臺（SOFIA）

平流層紅外探測天文臺是一個架設(shè)在改裝的波音747SP上的2.5米口徑反射望遠(yuǎn)鏡（Forcast），日常飛行在12公里高度的平流層進(jìn)行紅外波段探測。美國科學(xué)家Casey Honniball通過SOFIA天文臺，在月球南半球高緯度的克拉維斯（Clavius）撞擊坑一帶的輻射光譜發(fā)現(xiàn)了6μm波段的輻射帶，這是水分子相對于羥基或水硅酸鹽礦物在該波段具有的獨特輻射帶，通過對這一區(qū)域探測結(jié)果進(jìn)行對比分析，最終結(jié)果顯示確認(rèn)克拉維斯撞擊坑存在水分子，濃度為百萬分之100至412之間，相當(dāng)于1立方米的月壤中含有12盎司的水，盡管水的含量非常少，甚至不足撒哈拉沙漠含水量的百分之一，但相較于之前對月球水冰的探測來說，此次SOFIA天文臺的發(fā)現(xiàn)已屬于前所未有。早期探測發(fā)現(xiàn)水冰存在的證據(jù)，都是通過遙感手段探測到氫原子或羥基的存在，而此次則是直接探測到了水分子。通過這一發(fā)現(xiàn)對于水冰的分布也有了新的認(rèn)識，之前探測到的水冰信號幾乎全部來自于月球南北兩極的永久陰影區(qū)，并沒有太陽照射，而此次的發(fā)現(xiàn)證明水冰不僅分布于寒冷且不受陽光照射的地區(qū)，同時可以存在于陽光能夠照射到的月球表面。

那么這次在月表光照區(qū)域發(fā)現(xiàn)的水又是以何種形式存在的？經(jīng)科學(xué)家分析，SOFIA天文臺發(fā)現(xiàn)的水分子并不是以水冰或液態(tài)水的形式存在，而是與礦物結(jié)合的結(jié)晶水，相當(dāng)于“困”在了月球表面的礦物顆粒中，由于結(jié)晶水與礦物之間結(jié)合牢固，需要加熱到200℃甚至更高的溫度才能釋放出來，而月表白天溫度最高也才100多攝氏度，無法使這些水逃逸。

平流層紅外探測天文臺SOFIA（圖片來源：NASA）

此次SOFIA天文臺在太陽光照地區(qū)探測到水分子，改變了水冰僅存在于月球南北極永久陰影區(qū)的傳統(tǒng)認(rèn)知，為人類計劃建立長期有人駐守的月球基地帶來了希望。水作為重要的地外資源，在月球通過對水資源進(jìn)行原位利用，將解決能源供給等問題。即使水冰資源的開發(fā)利用還面臨著水冰提取、搬運轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換利用等多個環(huán)節(jié)，但我們相信，人類距離移民月球的夢想又近了一步，畢竟，我們的征途是星辰大海，人類在探索月球的道路上將永不停歇。

We choose to go to the Moon...not because it is easy，but because it is hard

——John F.Kennedy

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來源：中國科學(xué)院月球與深空探測總體部、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心