科学家发现月表存在水冰证据水从哪儿来仍需探索

新萄京娱乐场下载 1

新萄京娱乐场下载 1

[科学时报
张巧玲报道]
在月球上发现水为建立人类月球基地打下了坚实的基础,下这个结论还为时过早,这只是一个科学问题,月球水的开发应用尚待研究!11月24日,《科学时报》记者来到中国科学院院士欧阳自远的办公室时,他正在做一道算术题,其计算结果是:据粗略估算,水冰在永久阴影区月壤中的含量小于0.1%。无论是从经济上还是技术上看,在月球上即使发现水也不太可能是月球基地可以依赖的水资源。欧阳自远的一席话给正在升温的月球发现水就可以建设月球基地这一热点新闻浇了一盆凉水。找到水冰只是个科学问题据报道,11月13日,美国宇航局的科学家在记者招待会上宣布,一段废弃的火箭助推器在上月撞到月球寒冷而黑暗的环形山后激起了尘埃柱,他们在其中发现了水的存在。月球环形山观测与遥感卫星项目首席科学家Anthony
Colaprete在加利福尼亚州芒廷维尤市NASA埃姆斯研究中心表示,初步分析结果表明,这些尘埃中都存在水的踪迹。不少人因此认为,月球上发现水意味着人类在月球上建立永久性基地的设想又前进了一步,前景十分乐观。这些水能否被利用还有待研究。欧阳自远给出了他的计算结果:美国的LCROSS撞击南极凯布斯坑的永久阴影区,形成了一个直径20米,可能深3米的小撞击坑,在撞击后激起的尘埃柱中发现大约100千克的水。粗略估算,水冰在永久阴影区月壤中的含量小于0.1%。撞击坑中的永久阴影区,温度大约为-240℃,深度达2~3千米,永久性漆黑,没有任何能源,大型机械不能到达,人员也难以到达工作场地。如果要利用那里的水资源,要将大量的月壤堆积起来加热,使水冰形成水蒸气,收集水蒸气后冷却成蒸馏水,再运送到月球基地。如果要长期利用这些水资源,其开采、运输之艰难,以及开采月壤量之巨大而成效甚微可想而知。据悉,长期以来,科学家认为,月球上没有水,当然也没有水冰。几十年来,各种手段探测月球的结果似乎也证实了这一点。月球存在水冰的设想最早是由美国科学家Waton等于1961年提出来的。他们认为,月球极区的一些撞击坑底部可能处于太阳照射不到的永久阴影区,表层和次表层温度将常年维持在40K左右。原始月球脱气作用产生的水、彗星和小行星撞击月球携带至月表的水在这样的低温下可能会以水冰的形式在地质历史中保存下来。他们推测月球两极撞击坑内可能存在大量的水冰,形态为冰尘混合物,即脏冰。在月球水冰设想提出后的30余年间,许多学者进行了多方面的探索,但无论是Apollo登月计划,还是月球样品和月球陨石的研究,都没有找到月球上存在水的证据。欧阳自远介绍,如果证实月球极地存在水冰,这些水冰的可能性来源主要有三个:一是由彗星或小天体带入。当彗星撞击月表并剧烈破碎时,碎块溅落到撞击坑内的永久阴影区与月壤混合;二是太阳风中的氢原子与月壤和月岩中的FeO发生还原反应:FeO+H2=Fe+H2O;三是月球深部释放的岩浆水。而研究表明,上述这些水应以冰的形式储存在月球两极撞击坑的永久阴影区。LCROSS发现并证实月球上存在水冰,的确是人类月球探测工作的一大进步。欧阳自远说。不过,早在2006年,欧阳自远在其主编的《月球科学概论》中就提出:即使月球极地存在水冰,也不可能是月球基地可以依赖的水资源。首先,水冰的含量低且存在于极地永久阴影区,阴影区终年黑暗、低温,对开采仪器的性能要求非常高,人类很难直接利用;其次,月壤中水冰的含量极微,分布面积极广,并与月壤混合,生产1吨水,需要开发数千公里面积的月壤,水冰的收集和运输不仅在技术上存在很大难度,而且也不是经济的办法。从目前来看,在月球上发现水仍然只是一个科学问题,还无法上升到应用。欧阳自远说。事实上,美国科学家也认为,月球上的水是否足以支撑未来的宇航员无论是饮用水还是火箭燃料依然有待进一步的研究。需另辟蹊径是否在月球上发现水并不是建立月球基地的必要条件。欧阳自远说,无论是否在月球上发现水,人类都会在月球上建立基地。早在上世纪90年代初,美国前总统老布什就提出,今后10年要发展航天飞机和空间站,新世纪的到来我们要重返月球,建立月球基地。此后,美国前总统小布什又提出,要通过建立月球基地,从月球上载人登上火星。当时并不能确认是否能在月球上找到水。欧阳自远说。另一方面,人类要在月球上建立基地,最需要解决的主要问题是,要建设能确保航天员安全居住和生命保障的条件和能源。有了能源就能解决水的问题。欧阳自远认为,要解决月球基地用水的问题,还需另辟蹊径,或许可从月面广泛分布的钛铁矿里打打主意。欧阳自远告诉记者,月海玄武岩中的钛铁矿含量高达25%,分布面积达1000万平方千米,在月壤中通过简单的选矿程序可以富集钛铁矿精矿,钛铁矿不仅是铁、钛金属和氧气的主要来源,钛铁矿与氢反应所产生的水也将是未来月球基地获取水资源的重要途径之一。消耗1吨钛铁矿,同时需消耗0.013吨氢气,可以生成0.12吨水、0.37吨铁和0.52吨二氧化钛。生产1吨水,大约只需要9吨钛铁矿。且此方法可以在月球基地附近直接生产。欧阳自远认为,月球上是否存在水冰,尽管是一个重要的科学问题,但对人类建立月球基地是无关紧要的。欧阳自远同时表示:LCROSS撞击月球凯布斯坑找水的设计确实很精密,令人佩服,是一个亮点,但只能说是美国的LRO月球探测卫星系统的一个组成部分。美国的LRO月球探测主卫星飞行高度只有50公里,相机的空间分辨率高达0.5~1米,其真正的目的是为了选择下次载人登月和建立月球基地地点的精细地形地貌。《科学时报》
(2009-11-26 A1 要闻)更多阅读美国航天局分析撞月数据后确认月球存在水

新萄京娱乐场下载 2

图为美国国家航天局(NASA)公布的月球南北极区(左图为北极、右图为南极)含有水冰的位置(天蓝色点),底图的灰度代表表面温度,颜色越深就越冷。(拖拽/保存图片可查看大图)

科学家发现月表存在水冰证据 水从哪儿来仍需探索

(科技日报1月11日报道)新萄京娱乐场下载,近日,嫦娥四号正式着陆月球背面,软着陆至月球背面南极-艾肯盆地的冯·卡门撞击坑内。月球背面那么大,嫦娥四号为何“安家”在月球南极?关于月球两极,人类了解有多深?北京大学地球与空间科学学院郭弟均博士告诉科技日报记者,月球两极可能含有水冰,这是了解月球两极最重要的意义。而嫦娥四号的软着陆区位于月球最古老的南极-艾肯盆地内,是认识月球早期演化的重要线索。同时,月球南极区域大致位于月球三大地体的交界处,是认识月球构造格架的关键。“相比月球其它区域,人类对月球两极的认识还非常缺乏,尤其是光学特征方面,此外也没有样品资料。”郭弟均介绍,相比地球两极,月球两极永久阴影区温度更低,没有冰川和海洋,没有生命,没有磁场,除了可能存在水冰之外,表面主要是硅酸盐矿物。

由夏威夷大学研究人员领导的一个科学家小组近日在美国《国家科学院学报》上发表研究报告称,他们分析了印度“月船1号”探测器携带的月球矿物绘图仪所得到的数据,发现了固态水—冰的近红外吸收光谱特征,证明那是月球上的水冰。

■地球两极冰雪覆盖,月球两极有冰吗?

月球上真的有水吗?如果有水又是从哪来的呢?科技日报记者就此采访了相关专家。

郭弟均表示,科学界目前为止发现了月球两极存在水冰的一些证据,并形成初步认识。月球两极存在水冰的假设,最早是1961年由加州理工大学教授Watson等人提出,后来在阿波罗探月采集的月球样品中检测出水存在的信号,但普遍认为是由地球大气中水汽污染导致。2009年美国发射LCROSS高速撞击月球永久阴影区,探测撞击形成的溅射物是否有水冰存在,仅观测到可能有羟基存在的证据。其它探测到水存在的直接和间接证据则一直存在较大争议,譬如雷达和中子谱仪数据。

月球存在水冰设想已提出30余年

“月球两级的永久阴影区为水冰的稳定存在提供了必要条件。”郭弟均说,由于月球自转轴几乎垂直于太阳光照射方向,月球两极紧密分布的撞击坑使得高程起伏大,因此,月球两极存在永远无法接受太阳光直接照射的区域,被称作永久阴影区,最新数据显示,其面积在南北两极分别达到约16055km2和12866km2,这里温度极低,最低温度可以达到-250摄氏度。

中国科学院国家天文台研究员郑永春告诉科技日报记者,月球上有没有水,如果有水,又是以什么方式存在的?一直以来,这些问题在学术界争论不休。

不过,水冰存在的形式和含量目前还有较大争议,不同遥感数据、同一数据的解释之间还存在着矛盾,尚未达成共识。“如果月球存在水,或更广义上的水,即羟基,其来源可能有几种:彗星水、太阳风注入的水,以及火山喷发过程中脱气作用所产生的岩浆水等。”郭弟均表示,对于月球两极水的确认还需要进一步的探测,尤其是针对永久阴影区的着陆探测。

月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他们认为,月球极地一些撞击坑底部,可能处于太阳照射不到的永久阴影区,表层和次表层的温度常年维持在零下233摄氏度到零下223摄氏度。原始月球脱气作用产生的水,以及彗星撞击月球携带至月表的水,在这样的低温条件下,很可能会以水冰的形式长期保存下来,逃逸进入太空的可能性很小。他们推测,月球两极的深坑底部可能存在大量水冰。

■月球两极适合建造月球基地吗?

“在月球水冰设想提出后的30余年间,许多科学家进行了多方面的探索,直到上世纪90年代,都没有找到月球有水的确凿证据。”郑永春说。

“在月球两极建立月球基地的一个主要原因是永久阴影区可能有水,如果能够确定水的存在,两极将是建立月球基地的首选之地。”郭弟均说。2018年1月,媒体报道NASA在月球北极附近发现熔岩洞,或成月球基地理想选址。郭弟均表示,熔岩洞表面有数十米的月壳层,提供了防止撞击事件、宇宙射线辐射的天然保护壳,能保护基地和内部工作人员的安全。另一方面,熔岩洞的特殊结构使得内部能够维持较窄的温度波动范围,相对于月表,其温度条件更适宜建立月球基地。然而,建立月球基地需要投入大量尖端技术,尤其是两极的极端温度环境,需要更苛刻的工程技术手段和创造性的设计。

但科学家没有停止在月球上找水的努力。1994年,美国发射克莱门汀号月球探测器。该探测器的雷达回波显示,月球上可能有水。1998年,美国发射的月球勘探者号探测器探测结果显示,在月球两极地区存在丰富的氢,据此,科学家推测,月球极区可能含有丰富的水冰。但这两次的结果都有较大争议。

在完成登月以前,人类了解月球两极主要依赖遥感探测和模型模拟。人类登上月球两极之后,可以实地测量月表物理、化学性质和空间环境,此外可以采集两极样品。郭弟均认为,探索两极主要难点包括光照条件差,难以进行光学探测;两极温度低,对着陆器和巡视器要求很高;地形复杂,起伏较大以及测控要求高。

一直到2009年。“美国科学家利用火箭末子级撞击月球表面,撞出的物质飞上太空被卫星拍下照片。通过对这些尘埃物质进行光谱分析,科学家发现这些物质是含水的。”中国航天科工集团第二研究院研究员、国际宇航联空间运输委员会秘书长杨宇光告诉科技日报记者。

“近年来随着传感器及探测技术的整体提升,在月球上找水的进度加快。实际上,美印科学家此前就对‘月船一号’的数据进行了分析,结果表明月球两极永久阴影区域可能有不同来源的水。”中国科学院国家天文台研究员平劲松告诉科技日报记者,但当时的数据分辨空间率不高,此次,研究人员再次综合分析了“月船一号”及其他相关数据,给出了月球极地阴影区域的水体分布图。

“但科学家迄今得到的都是关于月球上存在水冰的重要间接证据,如果要拿到直接证据,需要原位探测器或巡视探测器去取回月球上的岩石或土壤样本,在其中找到水冰。”杨宇光说。

关于水来源的几种推测

这些月球上的水来自哪里?是月球在远古时期就有,还是来自其他天体?郑永春表示,正如地球上的水从哪来的有很多说法一样,科学家对月球上水的来源也有几种推测。

一种说法是,月球上的水是由小行星和彗星撞击带来的。2011年,美国研究人员对阿波罗飞船带回的月球表面岩石标本进行了分析。他们重点测量了标本中一类名为磷灰石的矿物所含的氢同位素组成比例。结果发现,其组成比例与3个已知彗星中的氢同位素组成比例接近。由此研究人员认为,彗星是月球上水的主要来源之一。

2016年,美国、英国和法国的研究人员发现,大部分月球内部存在的水可能是40多亿年前月球形成初期小行星撞击月球后留下的。

“月球表面有很多撞击坑,是被小行星和彗星撞击形成的,彗星是携带很多水冰的小天体。当撞击到月球上之后,彗星上的冰就会留存下来。”郑永春说。

也有一些科学家认为,月球上的水或许来自于太阳和地球。

太阳会发射出不间断的粒子流,这一现象被称为“太阳风”。太阳风中的粒子大部分是氢离子,也有氦离子和氧离子的痕迹,由于地球有厚实的大气层和磁场,它们是无法抵达地球的。但是月球没有这些保护层,不断遭受太阳风的袭击,其中的粒子会留在月球表面的尘埃中。这些氢离子会和月球表面的氧化物发生反应而生成水分子或相近的羟。

2012年,美国研究人员对阿波罗系列探月飞船带回的月球土壤样本进行分析后指出,这些样本中的大多数都含有羟基和水,其中的氢原子与太阳上的一样。

此外,太阳风也会将地球大气层外的一些水分子吹到远方,而当月球经过这些地方时,就会捕获来自地球上的水,但这两种理论并没有得到广泛认同,也难以形成较大的水资源规模。

平劲松则认为:“和地球一样,月球上的水主要是固有的,来自太阳的尘埃星盘,后来在大撞击时代,又有小行星、彗星带来的水作为补充,但补充有限。此外,太阳风与岩石月尘的作用,虽可以在月球表面生成水分子,但能留下来的几率太小。”

开采月球水冰至少需要10年

水是人类生存的必须物质,科研人员千方百计在月球上找水,是为了未来有一天能定居月球吗?

杨宇光说,月球的环境非常恶劣,完全不适宜人类居住,移民月球的可能性很小。

“不论是月球还是火星,更现实的计划是建立长期有人值守的科学考察基地,开发它的资源。”杨宇光说。

他解释道,在太空中其他星球上找到氧是很容易的,因为岩石里包含金属氧化物,有丰富的氧元素,但是氢并不容易找到。月球上发现水冰,电解之后可得液氢、液氧,它们能用来制备效率较高的火箭燃料,极大地降低太空任务的成本。

“月球上的引力只有地球的六分之一,如果月球上有各种资源,将来人类在去往火星或其他星球的时候,物资就可以从月球补充,同时,如果能在月球表面制备水的话,成本会小很多。月球可以成为人类探测银河系的一个中转站。”杨宇光说。

郑永春持相似的观点:“人类最多是在月球上建个小型基地,用原位资源,也可以生产水和氧气。”

此外,今年6月,在科罗拉多矿业学院举行的空间资源圆桌会议上,人们探讨了开采月球水冰的可能性。与会者讨论后认为,将月球上的资源定量化,加上开发和部署技术的时间,开采月球水冰至少需要10年。

相关文章

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注