摘要：月表水的來源與空間分布特征，是揭示月球形成與演化歷史的關(guān)鍵線索，也為月球資源利用的可行性研究奠定基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)價值與應(yīng)用意義。中國科學(xué)院地質(zhì)地球所林楊挺團隊和魏勇團隊，聯(lián)合上海技物所、地球化學(xué)所和中國航天科技體系與創(chuàng)新研究院行星科學(xué)團隊，針對采集自月球背面中緯度區(qū)域的嫦娥六號月壤，開展紅外光譜測量、氫含量和同位素組成深度剖面分析等多維度研究，確定其水含量和來源。結(jié)合同為中緯度采集的嫦娥五號月壤分析數(shù)據(jù)，與低緯度阿波羅樣品結(jié)果對比，揭示出月球太陽風來源水的空間分布主要受控于緯度和月壤成熟度。

    無論是通過樣品分析、遙感探測，還是月表原位觀測，月球存在水這一事實已得到充分證實 (Lin et al., Science Advances, 2022)。這里的“水”，既包括礦物顆粒中蘊含的羥基或水分子，也可能以水冰形態(tài)存在于月球極區(qū)的永久陰影區(qū)。盡管月表確有水存在，但其整體含量較低，每噸月壤中僅含幾十至幾百克水，這一數(shù)值比沙漠沙子的含水量還要低至少10倍。即便如此，月球水的發(fā)現(xiàn)仍具有重大意義。它不僅徹底改變了人類對月球形成、巖漿演化，以及月表與空間環(huán)境相互作用過程的認知，更為月球原位資源利用創(chuàng)造了更大可能，為后續(xù)月球探索與開發(fā)提供了關(guān)鍵有利條件。不過，目前學(xué)界對于月表水的具體分布情況，尚未形成統(tǒng)一結(jié)論，相關(guān)研究仍存在爭議。

    目前對月表水分布的認識主要來自于遙感光譜探測。印度“月船一號”搭載的月球礦物繪圖儀（M3），首次實現(xiàn)月表全球紅外光譜探測。它通過分析3 μm附近的光譜吸收特征判斷水的存在與含量，最初結(jié)果顯示水主要集中在月球高緯度地區(qū)。美國“深度撞擊號”和“卡西尼號” 探測器在飛掠月球時，通過光譜觀測證實低緯度地區(qū)也存在水的吸收特征，只是信號相對較弱，進一步擴展了月表水的可能分布范圍。對M3全球數(shù)據(jù)的后續(xù)定量分析，因采用的熱校正模型不同，得出了相互矛盾的結(jié)論?；跇悠穼嶒炇夜庾V所構(gòu)建經(jīng)驗熱校正方法的結(jié)果顯示，月表水含量與緯度相關(guān)：低緯度地區(qū)月壤中幾十ppm（克/噸），極地地區(qū)則可達750 ppm。而基于熱擴散理論的M3熱校正模型則表明，全球月表水含量不存在顯著區(qū)別。這種認知差異的根源，在于對月球非等溫粗糙表面未知熱特性的解讀不同，進而導(dǎo)致對“熱輻射如何影響表面反射光譜”的判斷出現(xiàn)偏差，最終使3 μm處水的吸收特征分析結(jié)果不一致。后續(xù)的紫外光譜測量雖然也揭示了月表水合特征的非均勻分布，但這些結(jié)果同樣受限于光度校正模型的準確性。本質(zhì)上，對反射光譜中熱輻射貢獻的不同解釋，是導(dǎo)致月表水分布認知存在分歧的核心原因。

    在地球?qū)嶒炇抑兄苯訙y量月壤樣品光譜，可完全規(guī)避月面高溫熱輻射的干擾。1969年至1976年間，美國Apollo計劃與蘇聯(lián)Luna任務(wù)，從南北緯30°以內(nèi)的低緯度地區(qū)帶回了大量月球樣品。盡管阿波羅計劃的采樣點覆蓋了一定緯度范圍，但低緯度地區(qū)的月表水含量本身變化有限，這些樣品難以支撐水含量分布的相關(guān)研究。直到2020年，中國嫦娥五號任務(wù)實現(xiàn)突破，從北緯43.06°的中緯度區(qū)域帶回約1731克月壤，填補了中緯度月壤樣品的空白。嫦娥六號于近期進一步突破，從月球背面南緯41.63°的另一處中緯度地區(qū)，成功帶回約1935.3克月壤。這些樣品得以系統(tǒng)評估從低緯度到中緯度地區(qū)水的空間分布與含量，同時也為探索正面與背面的水分布和來源差異，創(chuàng)造了前所未有的研究條件（圖1）。

圖1 目前所有月球采樣點的分布。Apollo和Luna樣品均采集于月球低緯度區(qū)域，嫦娥五號和嫦娥六號樣品采集于中緯度地區(qū)

    研究團隊在隔絕大氣的手套箱內(nèi)對大量的嫦娥六號月壤進行了光譜測量，并進一步利用納米離子探針對20多個顆粒開展了高空間分辨的氫含量和氫同位素分析。結(jié)果顯示，月壤樣品光譜在約2.8 μm 處呈現(xiàn)顯著的OH/H2O吸收特征，據(jù)此計算的水含量為183±34 ppm（圖2）。納米離子探針測量表明，該月壤具有非常低的氫同位素組成，這與Apollo及嫦娥五號月壤的同位素組成類似，指示月球正背面的表層水絕大部分來自于太陽風的貢獻（圖2）。進一步對比低緯度Apollo月壤與中緯度嫦娥月壤顆粒的氫注入剖面發(fā)現(xiàn)，中緯度顆粒表層氫含量更高（圖3），揭示太陽風注入在正面與背面月壤顆粒所產(chǎn)生的水含量分布具有緯度依賴性。考慮到嫦娥五號、六號著陸點白天最高溫度要比Apollo著陸點低30-40 ℃，這一溫度差異可能是嫦娥月壤顆粒最表層保留更高水含量的原因。不同緯度水含量最大值反映了相應(yīng)溫度下的動態(tài)平衡，嫦娥五號和六號水含量剖面的最大值相似，則進一步說明這兩個著陸點的太陽風注入作用相似。

圖2 嫦娥六號月壤樣品紅外光譜測試結(jié)果及單顆粒的氫同位素和水含量組成

圖3 不同緯度月壤顆粒表層水含量的深度剖面

    盡管嫦娥五號與嫦娥六號采樣緯度相近，研究進一步發(fā)現(xiàn)嫦娥六號月壤整體的水含量卻顯著高于嫦娥五號（183 ppm vs. 37 ppm）。與嫦娥五號相比，嫦娥六號月壤的近紅外光譜斜率更陡，且玻璃質(zhì)物質(zhì)與亞微觀金屬鐵（Fe?）的含量更高，表明其成熟度更高。由此可見，在排除緯度影響后，成熟度是調(diào)控月壤整體水含量的又一重要因素。結(jié)合玻璃相含水更高的特征（圖2），可推斷月球風化層中的玻璃質(zhì)物質(zhì)可能是太陽風來源水的主要宿主。

    總體而言，研究結(jié)果表明緯度（溫度）和月壤成熟度是控制月球風化層水含量的兩個主要因素。在高緯度地區(qū)高度成熟的月壤中，水含量可能更高。該研究結(jié)果為未來的月球資源原位利用提供了重要參考。未來更高緯度的月球采樣將極大地增進我們對月球表面水全球分布的理解。我國嫦娥七號任務(wù)計劃在月球南極開展就位探測，其獲取的觀測數(shù)據(jù)將為研究更高緯度區(qū)域的水含量分布特征和來源提供重要支撐。

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