中科院團(tuán)隊(duì)：證實(shí)太陽(yáng)風(fēng)“刮出”月表水，論文登PNAS

韓智 2022-12-29 15:09:34 來(lái)源：量子位

詹士 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

中國(guó)探月新發(fā)現(xiàn)！

月球特定區(qū)域富含水資源，可開(kāi)發(fā)利用那種。

該成果來(lái)自國(guó)家空間科學(xué)中心（NSSC）和中國(guó)科學(xué)院（CAS）地質(zhì)與地球物理研究所組成聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)。

通過(guò)對(duì)嫦娥五號(hào)樣本的研究，他們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)風(fēng)在月球表面產(chǎn)生水的證據(jù)。

團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者林楊挺進(jìn)一步闡釋——他們的研究表明，月球南極區(qū)域的水含量可能比人們以往認(rèn)為的還要多，且比較容易開(kāi)采利用。

鑒于中國(guó)已有計(jì)劃在月球南極建立科研站，該發(fā)現(xiàn)有著重要意義。

目前，該研究剛被國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》收錄發(fā)表，新華社、Interesting Engineerin等媒體也均有介紹。

所以，研究者如何得出上述結(jié)論？

為什么此前美國(guó)和蘇聯(lián)探月任務(wù)沒(méi)得出該成果？

下面展開(kāi)講講。

證明太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)了水

之前研究中，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)月表有水，并認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)、火山噴發(fā)、小行星和彗星均可能是重要來(lái)源。

但是，上述哪個(gè)來(lái)源更重要？這些水又是如何保存下來(lái)的？尚無(wú)明確答案。

此次研究者們針對(duì)上述問(wèn)題，從兩份嫦娥五號(hào)月表樣品中，選取了17個(gè)月壤顆粒，其成分包括硅酸鹽礦物（橄欖石、輝石、長(zhǎng)石）和石英。

需要明確的是，此番研究者們所說(shuō)的水，并非通常所說(shuō)的液態(tài)水，而是月壤中的“結(jié)構(gòu)水”，主要以羥基形式存在于礦物中，加熱是從中獲取液態(tài)水的常見(jiàn)方式之一。

在具體研究過(guò)程中，由于水的主要組成元素是氫，研究者一般用氫含量表示水含量。

他們先對(duì)樣本進(jìn)行二次電子成像及透射電子顯微分析（TEM），發(fā)現(xiàn)輝石、橄欖石等物質(zhì)表層有明顯太陽(yáng)風(fēng)造成的損傷區(qū)，厚度在60-85nm。

針對(duì)不同礦物，他們繼續(xù)由表及里，利用納米離子探針，結(jié)合最新研發(fā)的超高空間分辨的深度剖面分析技術(shù)，分析了氫及同位素的含量。

結(jié)果顯示，斜長(zhǎng)石、輝石等表面有太陽(yáng)風(fēng)損傷的礦物，其氫元素含量也大致集中在損傷區(qū)域（下圖為灰色），在礦物內(nèi)部越深的區(qū)域，氫元素含量越少。到了礦物表面300nm以下，幾乎氫元素含量趨于穩(wěn)定。

這印證了大量氫元素與太陽(yáng)風(fēng)有直接關(guān)系。

由于太陽(yáng)風(fēng)中氘含量極低，研究者繼續(xù)通過(guò)分析樣本中氘的比例，探究大量氫元素的來(lái)源。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相關(guān)數(shù)值δD大約在?908±12‰至?992±6‰之間，對(duì)比球粒隕石(?230 ~ + 1000‰)(39,40)、彗星(?100 ~ + 3175‰)(39,41)和月球內(nèi)部?jī)?chǔ)層(0±200‰)(42-44)樣本，該數(shù)值有顯著不同，說(shuō)明了氘同位素所含比例極低。

研究者認(rèn)為，這證明了這些水都是由太陽(yáng)風(fēng)高速射入月球表面的。

那么，為什么之前探月任務(wù)沒(méi)發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象？

研究者又對(duì)比之前阿波羅任務(wù)中的樣本不同深度的含氫量。明顯看出，嫦娥五號(hào)所得樣本，土壤表層氫元素含量（藍(lán)線(xiàn)）高于之前探月任務(wù)。

團(tuán)隊(duì)猜測(cè)，此次與之前收集樣本緯度不同，造成了這一現(xiàn)象。

為此，他們基于樣本再加熱實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，模擬了不同溫度下，月壤顆粒保存太陽(yáng)風(fēng)氫的數(shù)值多少，根據(jù)模擬情況，研究者認(rèn)為月球高緯度地區(qū)因溫度不同，土壤表面氫含量更高，預(yù)計(jì)具體數(shù)值達(dá)560ppm。

這同繞月軌道飛行器所獲取的遙感結(jié)果范圍（約400-700ppm）的確一致。由此，他們認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)形成的水可在月表的中、高緯度地區(qū)得到較好保存。

這也解釋了——為什么之前美國(guó)阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)月球號(hào)沒(méi)發(fā)現(xiàn)大量太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)的水？

因?yàn)樗麄兯杉臉颖揪挥谠虑虻途暥葏^(qū)域。

值得一提的是，前文的模型還預(yù)測(cè)，高緯度區(qū)域月壤顆粒表層將含有更多太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)的水。

具體來(lái)說(shuō)，0.1微米的顆粒最表層中，最高含量可達(dá)8.5%，到直徑為2微米的細(xì)顆粒中，含量可達(dá)2%。

領(lǐng)導(dǎo)研究的林楊挺表示，“這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于未來(lái)月球水資源的利用具有重要意義?！?/p>

他接著補(bǔ)充：

中國(guó)計(jì)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(rèn)為的還要多，而且這些月壤中的水通過(guò)粒度分選和加熱，比較容易開(kāi)采利用。

團(tuán)隊(duì)介紹及月球科研站進(jìn)展

上述研究論文，共同第一作者有中科院國(guó)家空間科學(xué)中心副研究員徐于晨、中科院地質(zhì)與地球物理所副研究員田恒次。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的是中科院地質(zhì)與地球物理研究所的研究員，林楊挺。

公開(kāi)資料顯示，他畢業(yè)于浙大地質(zhì)系地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)，博士由中科院地球化學(xué)所與德國(guó)馬普核物理所聯(lián)合培養(yǎng)，2004年至今為中科院地質(zhì)與地球物理所研究員。

林楊挺長(zhǎng)期致力于研究的方向?yàn)椋弘E石中的太陽(yáng)系外顆粒與恒星演化、月球的形成演化與探測(cè)、納米離子探針?lè)治黾夹g(shù)等。

看完前文，有讀者也許好奇中國(guó)的月球科研站推進(jìn)情況如何？

上個(gè)月，中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁院士向央視網(wǎng)披露了不少細(xì)節(jié)。

該科研站位于月球南極，“基本型”包括著陸器、月球車(chē)、可起飛的飛躍器，軌道上還有軌道器，主要由嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)構(gòu)建。

站內(nèi)可供航天員生活工作，可解決能源問(wèn)題、交通問(wèn)題、通信問(wèn)題，自帶人的生命保障系統(tǒng)。未來(lái)，該設(shè)施可作為深空探測(cè)的前沿基地、也可成為飛往火星的中轉(zhuǎn)站。

至于時(shí)間點(diǎn)，吳偉仁院士表示，2028年左右，月球科研站基本型就建起來(lái)了。

嗯，值得期待一波。

參考鏈接：
[1]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214395119
[2]https://interestingengineering.com/science/moon-surface-water-solar-wind
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/kS74BnJc9fnpYe_wkfjfhA
[4]http://finance.people.com.cn/n1/2022/1122/c1004-32571591.html

— 完 —

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