华侨网 科技教育 中國科學家發現月球“迷你水庫”:1噸玻璃珠含1斤水

中國科學家發現月球“迷你水庫”:1噸玻璃珠含1斤水

過去二十年,科學家在月表發現了許多存在水的痕跡。有科學家猜想,月壤深入存在含水層,驅動著整個月球的水循環。那麼,月球上的水從哪裡來?儲存在何處?

現在,中國科學院地質與地球物理研究所(以下簡稱地質地球所)研究員胡森、南京大學地球科學與工程學院教授惠鶴九等國內外科學家合作發現,撞擊玻璃珠可能是月球的“迷你水庫”—— 一噸玻璃珠中平均可含一斤水。相關研究3月28日發表於《自然—地球科學》。

“我們的研究證明撞擊玻璃珠可能是一個新的月球儲水物質,支持了月表水循環的猜想,也解釋了像月球一樣沒有大氣的小行星上水的潛在來源。”論文通訊作者胡森對《中國科學報》說。

隨著對月球探測的日益推進,研究者認為,未來通過大量玻璃珠提取水前景可期。

一個意外的發現

2021年冬季的一天,地質地球所地球與行星物理重點實驗室博士生何會存用納米離子探針檢測嫦娥五號月壤樣品中的撞擊玻璃珠時發現:珠內的水豐度從外至內逐漸遞減,形成“環帶特徵”。

她把這個結果提交給導師胡森。胡森的第一反應是“不敢相信”。

很快,胡森把電話打給了論文另一位共同通訊作者惠鶴九。儘管對月球樣品都很熟悉,但這位合作夥伴的反應和他一樣:“會不會是實驗錯了?”

從月球到火星乃至更遙遠的其他行星探測,尋找與“水”相關的線索一直是科學家研究行星曆史和生命宜居性的一個出發點。

目前,科學家對月球的探測次數是所有行星之最,研究表明月表雖然有水,但含量低,且呈動態變化。

例如,月表水含量僅為10~1000ppm(即一噸月壤中含有0.01千克~1千克水)。同時,其高緯地區明顯比低緯水含量高,極區可能存在水冰;月表水含量還呈現出與月球晝夜相關的變化,相同的位置晨昏時刻的水含量明顯比中午時刻高。

儘管月球幾乎沒有大氣,但月表或同樣存在水循環現象。

美國宇航局(NASA)月球大氣與塵埃環境探測任務曾檢測到,月球空間環境中的水分子逃逸時間與流星雨事件相關。但經計算流星雨的輸入水量明顯小於月球空間的水逃逸量,NASA科學家推測流星雨撞擊月球時會把月壤中儲存的一部分水蒸發到月球空間導致逃逸,並提出了月表水循環猜想。該猜想認為,月表10厘米到3米區域或存在未被發現的儲水層。

然而,近年來,包括胡森在內的國內外很多研究人員對月球不同礦物或組分的研究都不支持這一假設。 “這些礦物中的水含量極少。”胡森對《中國科學報》說,此前他與合作者發現嫦娥五號月球玄武岩中的全岩水含量僅為62~133 ppm。

那麼,月表水循環猜想究竟是否成立?月壤中是否存在未被發現的儲水物質?

胡森與合作者想用撞擊玻璃珠嘗試回答這個問題。撞擊玻璃珠是太空中的隕石、小行星等撞擊月球後熔融月表的土壤和岩石,熔體濺射形成液滴冷卻後形成的。它們有的內部成分單一,有的則含有氣泡、金屬、硫化物等不同成分。嫦娥五號和阿波羅任務中返回的月壤中含有岩石、礦物碎片、火山玻璃珠、撞擊玻璃珠等不同成分,此前撞擊玻璃珠中的水豐度尚未被詳細研究。

初步的結果完全超出了他們的預期:玻璃珠內水豐度的“環帶特徵”說明它很可能來自太陽風。

為了驗證這一結果,他們一遍遍反复實驗,接連從110多個月壤玻璃珠中選取表面光滑、化學成分與月球玄武岩一致的32個玻璃珠,通過掃描電子顯微鏡、離子探針和拉曼光譜等多種方式進行測試後發現,結果和最初一致。

他們發現,玻璃珠的水豐度較之月壤岩屑更高,最高可達到近2000ppm。 “這相當於一噸樣品中約有2公斤的水。”胡森向《中國科學報》解釋。

“打通”月球水循環鏈條

關於月表水的來源,科學家有很多猜想。例如,太陽風攜帶的氫離子注入月表礦物;月球早期形成時含水並保留至今;彗星和小行星撞擊月球時攜帶而來。

事實上,無論是岩漿活動,還是撞擊天體(攜帶水源),都可能通過高溫熔融形成撞擊玻璃珠。研究者如何憑藉“環帶特徵”確定撞擊玻璃珠中的“水”來自太陽呢?

對此,惠鶴九向《中國科學報》解釋:“通常,通過高溫熔融形成玻璃珠時‘水會向外跑’,因此玻璃珠內更可能出現水豐度‘里高外低’的情況。”

同時,作為元素週期表中質量最輕的氫,科學家可以通過鑑定其同位素(氕、氘、氚)特徵識別其來源。通過對玻璃珠內氫同位素進行監測,研究人員發現其與太陽風的氫同位素組成一致,且為極端貧氘。

這些現象使得他們推測撞擊玻璃珠或能驗證月表水循環猜想:過去數十億年的時間裡,在隕石火小行星撞擊作用在月表形成玻璃珠後,太陽風中的氫離子源源不斷地到達月球注入表層的玻璃珠中,形成月球水的來源,並維持著月球表面的水循環。

“撞擊玻璃珠主要成分是矽酸鹽,就像海綿一樣,氫注入其中可能會與氧結合形成水,也可能在其他條件下被釋放出來。”胡森解釋說,他們也發現有些玻璃珠甚至後期經歷過一定程度的撞擊或加熱事件,導致水含量剖面疊加了一次去氣過程。

數十億年來太空天體撞擊帶來的“翻耕作用”讓月壤中普遍存在撞擊玻璃珠(含量約為3~5vol%)。研究者估計,月壤中撞擊玻璃珠所承載的水量可達到2.7×10^14千克。 “這遠比地球四大洋的水儲量(約1×10^21千克)低,但相對來說還是挺可觀的。”胡森說。

根據這些結果,他們認為,這些直徑相當於頭髮絲粗細的撞擊玻璃珠(約30~150微米)是月球表面土壤中的主要水庫,但不包括月球兩極的冰。

胡森等供圖

玻璃珠取水前景可期

隨著月球水研究的逐步推進,下一步如果宇航員常駐月球,是否可能直接“就地取水”呢?

惠鶴九表示,通過大量玻璃珠提取水俱有前景,但這種水與地球上通常看到的水不同,玻璃珠中的水主要是以羥基(-OH)形式存在的,如何開發利用仍需進一步研究。

國際審稿人認為這項研究十分有趣,且提出了重要的新發現。 “1972年,阿波羅號撞擊玻璃珠的一項研究曾報導了揮發性元素向內擴散的現象,但一直以來尚未報導過撞擊玻璃珠內水的發現。作者進行了一組全面的分析,有力地證明了羥基存在的證據。”一位審稿人寫道。

另一位審稿人指出,嫦娥五號返回樣品中玻璃珠強烈的氘虧損特徵表明,其中水的是來自太陽風,而非彗星或從月球內部放出的氣體,解決了幾十年來的問題,即在太陽光照射下的月球表面發現的微量氫的起源。

此外,隨著探測能力的提升,科學家已經發現越來越多的無大氣天體表面可能存在水,例如灶神星、水星等。這些天體表面探測到的水含量雖遠不如地球,但仍然“吸粉無數”。研究者表示,這項研究對於了解這些行星低緯度地區水的來源和成因也有重要啟示。

“後續更深入的精細研究,例如無大氣天體表面水的來源、保存、遷移機制等細節,對未來深空探測任務原位水資源利用的方案設計和提取策略等都有重要參考價值。”胡森說。

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