中科院團隊：證實太陽風“刮出”月表水，論文登PNAS

韓智 2022-12-29 15:09:34 來源：量子位

詹士 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

中國探月新發(fā)現(xiàn)！

月球特定區(qū)域富含水資源，可開發(fā)利用那種。

該成果來自國家空間科學中心（NSSC）和中國科學院（CAS）地質(zhì)與地球物理研究所組成聯(lián)合研究團隊。

通過對嫦娥五號樣本的研究，他們發(fā)現(xiàn)了太陽風在月球表面產(chǎn)生水的證據(jù)。

團隊領(lǐng)導者林楊挺進一步闡釋——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為的還要多，且比較容易開采利用。

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

目前，該研究剛被國際權(quán)威學術(shù)期刊《美國國家科學院院刊》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？

為什么此前美國和蘇聯(lián)探月任務(wù)沒得出該成果？

下面展開講講。

證明太陽風帶來了水

之前研究中，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)月表有水，并認為太陽風、火山噴發(fā)、小行星和彗星均可能是重要來源。

但是，上述哪個來源更重要？這些水又是如何保存下來的？尚無明確答案。

此次研究者們針對上述問題，從兩份嫦娥五號月表樣品中，選取了17個月壤顆粒，其成分包括硅酸鹽礦物（橄欖石、輝石、長石）和石英。

需要明確的是，此番研究者們所說的水，并非通常所說的液態(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)水的常見方式之一。

在具體研究過程中，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。

他們先對樣本進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)表層有明顯太陽風造成的損傷區(qū)，厚度在60-85nm。

針對不同礦物，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，斜長石、輝石等表面有太陽風損傷的礦物，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風有直接關(guān)系。

由于太陽風中氘含量極低，研究者繼續(xù)通過分析樣本中氘的比例，探究大量氫元素的來源。

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

研究者認為，這證明了這些水都是由太陽風高速射入月球表面的。

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

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

團隊猜測，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驗分析結(jié)果，模擬了不同溫度下，月壤顆粒保存太陽風氫的數(shù)值多少，根據(jù)模擬情況，研究者認為月球高緯度地區(qū)因溫度不同，土壤表面氫含量更高，預計具體數(shù)值達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，他們認為太陽風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——為什么之前美國阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)月球號沒發(fā)現(xiàn)大量太陽風帶來的水？

因為他們所采集的樣本均位于月球低緯度區(qū)域。

值得一提的是，前文的模型還預測，高緯度區(qū)域月壤顆粒表層將含有更多太陽風帶來的水。

具體來說，0.1微米的顆粒最表層中，最高含量可達8.5%，到直徑為2微米的細顆粒中，含量可達2%。

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

他接著補充：

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。

團隊介紹及月球科研站進展

上述研究論文，共同第一作者有中科院國家空間科學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)導這項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。

公開資料顯示，他畢業(yè)于浙大地質(zhì)系地球化學專業(yè)，博士由中科院地球化學所與德國馬普核物理所聯(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。

林楊挺長期致力于研究的方向為：隕石中的太陽系外顆粒與恒星演化、月球的形成演化與探測、納米離子探針分析技術(shù)等。

看完前文，有讀者也許好奇中國的月球科研站推進情況如何？

上個月，中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁院士向央視網(wǎng)披露了不少細節(jié)。

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

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

至于時間點，吳偉仁院士表示，2028年左右，月球科研站基本型就建起來了。

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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