推翻阿波羅月壤研究！中國在月球首次發現分子水，美國爲何沒發現

又是大發現，中國科學家在嫦娥五號的月壤中發現分子水中國科學院物理研究所的科研團隊在嫦娥五號月球樣品中，發現了一種富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1。這是科學家首次在月壤中發現分子水。

發現分子水的重要意義

在月壤中發現分子水，對於人類開發月球有着跨越時代的意義，這是因爲水的重量太重了，又無法壓縮，在太空航行中無法攜帶大量的水，各國的宇宙飛船與空間站都設置了水循環系統，最大限度重複利用水資源。另一方面，水對於太空航行十分重要，除了維持宇航員的生存，水還可以分解成氫氣和氧氣，作爲飛船飛行的燃料、以及供給宇航員呼吸。

水是體內幾乎所有生化反應的介質，也是消化等重要生化反應的參與者。除此之外，水更是人類進行社會生產活動的必需品，種植糧食、養殖禽畜、生產食品、發電供暖都需要用到水

但是很多網友發現了一個問題，1969年7月21日，阿波羅11號在月球表面着陸首批重達21.6千克的月球表面樣本被帶回了地球。正是因爲這批樣本，“月球是乾燥的”成爲了人們的共識。此後，1969年至1972年採集的阿波羅382kg樣品的研究表明，月壤中未發現任何含水礦物。此後，月球不含水成爲月球科學的基本假設，這對認識月球火山演化、月地起源等問題產生了重要影響。

但是現在從嫦娥五號帶回的月壤卻含有分子水，這是怎麼回事？

嫦娥五號月壤和阿波羅月壤差異性

實際上，中美月壤成分相似度不足25%。我們都知道，阿波羅任務的登月宇航員們採集了很多月壤與月球岩石的樣本帶回地球，一共有382kg，分佈廣，範圍大，因爲這些月壤和月岩是由月球岩石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用後形成，其中有大量的月球岩石碎塊、礦物及隕石等物質。科學家通過研究這些月壤物質，既可以瞭解月球的資源情況，爲以後開發月球做好數據基礎，也可以更充分了解月球的地質演化歷史，也可以爲了解太陽活動等提供必要的信息。

除了送給其他國家的一些樣本，剩下的大多被保管於休斯頓的約翰遜太空中心。它們既不能隨意觸摸，也不能隨便接觸地球上的空氣。爲什麼？因爲空氣中的氧氣、水分以及人身上的物質都可能會導致月壤成分變化，影響分析的準確性。想要進入樣品間，首先要穿好全套防護服，還要進行“空氣淋浴”以防帶入灰塵污染。

可以說，全球科學界對於月球表面的許多數據，都是基於美國帶回來的這些月壤，因爲美國帶回來的月球樣本還是頗具規模的，按道理來說，中國嫦娥五號帶回來的月壤應該和阿波羅計劃的差異性不大。

但是實際上，下圖是通過 XRD machine learning分析的中美月壤，圖中上部爲嫦娥五號的月壤，下部爲阿波羅（Apollo）的月壤.

可以從峰圖上看到二者就差異極大。事實上，在組分上，差異也十分明顯。

作者在論文裡都用“Surprisingly”來形容了，可見二者的差異有多明顯（ distinct），用一個說法，就是中美月壤成分相似度不足25%。

這是因爲與美國取回的月壤相比，中國取回的月壤比較新，有10-20億年的歷史，美國的降落地點都是在中低緯度的月海，形成年齡集中在42-32億年前。而在這個範圍之外的月球歷史事件所對應的時間，全部是以此爲錨點，參考其他觀測結果（主要是撞擊坑統計）外推來的。

也因爲月岩標本的來源僅存在於有限的區域內，這些岩石能提供的信息非常有限。想要獲取更多的信息，唯一方法就是重返月球，去採集更多來自不同地質背景、形成於不同歷史時期的月球樣品。

所以嫦娥五號登陸了高緯度呂姆克火山高原位於月海“風暴洋”旁邊，中心座標爲301.9°E，40. 7°N，面積近 4000 平方千米，是一個火山穹丘複合體，周圍環繞着20多個圓形的熔岩穹丘。海拔約1100米，高於廣闊、平滑的月海，也就是“風暴洋”。

該區域內分佈有大量與火山活動有關的 地貌，如火山穹隆、熔岩流、月溪等，科學家認爲，它的一些區域是由大約10億年前的岩石構成的，科學家研究稱，月球呂姆克山可能在13億年前就爆發過，那裡有“月球上最年輕的月海玄武岩”。這種來自月球的“年輕”岩石從未被取樣或研究過，爲什麼這塊區域的岩石會這麼年輕，和其他區域相差了近20億年，這是科學家一直想要解開的謎題，科學家認爲，這個地區的火山沉積物可能是理解月球起源和進化的關鍵。

這也是爲什麼嫦娥五號會登陸此地的原因，這也是爲什麼此地的月壤會和美國帶回來的樣本差異如此巨大的原因，而這也恰恰證明了中國月球樣本的稀缺性與獨特性。

雖然阿波羅計劃帶回來的月壤樣本中不含有水，但是1994至1999年期間，美國的“克萊門汀”（Clementine）和“月球探勘者”號（Lunar Prospector）的數據表明，月球兩極區域，可能存在着水冰。

而現在嫦娥五號的月壤中發現了分子水，基於二者的差異，科學家認爲，在月球更高緯度的地區，（甚至極區）水分子存在的可能性大大增加，甚至永夜坑內部極有可能存在水冰。

開發月球正在有序推進

另外，此次發現的月壤中的分子水是以結晶水的形式存在的，月球中的水分別以這麼幾種情況存在:一種是以水冰只的形式；另外一種是以水分子的形式存在，這些水分子可通過太陽輻射釋放出來，會在月球表面形成水膜；還有一種是結合水的形式，主要是指一些水礦物。

這些水分子是礦物晶體的一部分，通過化學鍵或氫鍵與礦物晶體中的其他成分結合。此次新發現的礦物晶體的水分子和銨以水合礦物形式存在，且包含多達六個結晶水分子，水分子在樣品中的質量比高達41%。

這在結晶水，水分子保持了其分子結構，沒有解離成氫離子和氫氧根離子。而這就意味着我們可以通過加熱或者其他的一些方式，把這些水分子從礦石裡分離出來。比如坩堝加熱礦石，然後通過冷凝回收水。

那麼我們一旦在月球建立基地，這些結晶水可以更容易被人類所開發利用，這對於我們開發月球來說，是一個非常大的好消息。

截止目前，地球上共有6個國家的18架繞月軌道探測器對月球進行了遙感探測。美國和蘇聯分別通過宇航員和返回式取樣探測器（LUNA16、LUNA20、LUNA24）將月球表面的月壤、月岩送回地球。

而隨着嫦娥五號帶回來的高緯度的月壤樣本，這就給我們瞭解月球的全貌又推進了一大步，而隨着嫦娥六號帶回月背的土壤樣本，人類對於月球的認知又會迎來革新。

要知道，由於月球被“潮汐鎖定”，自轉週期和公轉週期相等，地球強大的引力讓月球總是以同一面朝向地球，人類在地球上也只能看見月球的正面。

也正因此，月球具有二分性，正面和背面的成分、結構等都存在顯著區別。月球正面月殼厚度大約30千米至50千米，玄武岩分佈面積大於30%；而月球背面厚度大約60千米至80千米，玄武岩分佈面積僅約3%。由於直接暴露在太空中，月球背面如同一塊盾牌，阻擋了大量小天體對地球的直接撞擊，因此與較爲平坦開闊的月球正面不同，月球背面佈滿溝壑、峽谷和懸崖。“一個很明顯的特點就是，月球表面90%以上的低窪平坦區域都在月球正面，這些區域被稱爲月海，嫦娥五號就降落在月球正面最大的月海——風暴洋中。而月球背面除了莫斯科海以外，幾乎沒有大型的月海。

根據這些探測數據以及對月球返回樣品的分析，可以爲早期的撞擊歷史，甚至地球的早期撞擊過程研究提供機會，有助於瞭解太陽系早期的演化歷史和判斷歷史，推動比較行星學的研究”。除此之外，月球的能源與礦產資源豐富，通過研究月壤，人類可以測定月球上鈦鐵礦、氦-3、氫等重要資源的含量，並開展氦-3提取、鈦鐵礦成礦機理等相關研究，爲開發利用月球資源提供理論依據。同時月壤覆蓋在月球表面，其物理力學特性參數會影響着陸器的着陸。研究月壤的顆粒組成、密度、孔隙度、承載力等特性可以對着陸器進行鍼對性改進，減少登月時的着陸衝擊並增加穩定性，爲後續的登月活動甚至建立月球基地做出準備。

隨着太空發射成本的不斷降低，儘管將月球上的礦產運回地球還有待時日，以3D打印技術和新材料製造技術爲代表的新興建築技術已被用來建造人類未來的月球家園。就地取材，人類能將月球表面的鐵、錳、鋁、鎂等金屬礦產提取冶煉，3D打印成可供居住的太空屋;利用月球高緯度、兩極的水可以爲人類提供氧氣、水等必要資源;綜合利用氦3、太陽能等月球上充沛的能源，將助月球開發一臂之力。