月球两极永久阴影区里的水冰及其探索

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月球上的水冰

1952年，美国化学家哈罗德•尤里（Harold Urey）通过观察发现月球的旋转轴倾斜角仅为1.5度，因此他推断在月球的两极地区，由于光线的照射方向几乎为水平，导致极地环形山的边缘会挡住照往其深处的光线，即在这些地区存在永远没有太阳光照射的地方。但他认为在缺少大气的月球上，即便没有阳光的照射，也无法保存完整的水冰。

1961年，美国劳伦斯伯克利国家实验室的地球物理学家肯尼思•沃森（Kenneth Watson）认为，因为月球的夜间温度会低于零下150℃，即便是暴露在太空中，月球永久阴影区里的水冰也可以在这极寒的环境中得以保存。并且他还预测，在月球的这些永久阴影区域内应该存在数量足以被检测到的水。

直到1994年，美国航空航天局（NASA）克莱芒蒂娜号利用其搭载的雷达仪器，在月球南极探测到了与表征水冰存在相符的增强信号，自此拉开了探索月球水冰是否存在的序幕。后来，其它月球探测器开始在月球两极附近探测到氢的痕迹，这意味着那里可能存在大量的水冰。

1999年，美国康奈尔大学的让-吕克•马戈（Jean-LucMargot）和其同事在美国加利福尼亚的莫哈韦沙漠使用雷达天线制作出了月球两极的地形图，通过模拟阳光的照射方向，确定了月球两极存在永久阴影区，在这些区域内可能存在水冰。

虽然他们只找到了少量的永久阴影区，但是随后的研究确认了数千个这样的区域。这些环形山从最大的直径数十千米，如位于月球南极的沙克尔顿环形山（Shackleton），至最小的直径几厘米。新的研究表明，一些环形山包含双重阴影区域，即在这些区域内，不仅太阳光不能直接照射进入，而且经环形山边缘反射的太阳光也不能照射进入，这些区域的温度可能低至零下250℃。

2009年10月9日，在美国航空航天局（NASA）月球环形山观测和传感卫星（LCROSS）任务的一次行动中，一枚重达2吨的火箭以每小时9000千米的速度撞向月球的卡比厄斯环形山（Cabeus）。随后，一架月球探测器飞跃尘埃羽流进行采样，与此同时月球勘测轨道飞行器也在远处观察。通过对采集到的样品进行分析检测，发现这些尘埃羽流中存在水蒸气，这也证实了月球的两极地区存在大量的水冰。并且，现在科学家认为月球上存在大约6万亿千克的水冰，这些水冰有些可能已经存在了数十亿年。

水冰的来源

如果这些双重阴影区域内存在二氧化碳和氮，那么低温将会使其凝结成干冰和固态氮，和水冰混合在一起。通过对这些“混合冰”的化学成分进行分析，可以得知这些物质是如何抵达月球的，以及它们是如何抵达地球和大多数岩质行星的。

目前有三种主要学说可以解释水冰是如何抵达月球的：第一种学说认为，水是由小行星或彗星携带并通过撞击抵达月球的。虽然太阳系形成时，内太阳系的水分会被高温蒸发并被太阳风吹散，但是位于太阳系“雪线”以外的水分才会凝结成水冰质的天体，这些天体会受到引力干涉进入内太阳系，并给内太阳系天体带来了水。第二种学说认为，在月球演化中期的某个阶段，月球火山喷发形成了一层稀薄的月球大气，导致了月球两极出现了水冰。第三种学说认为，太阳风将氢气吹至月球，这些氢气在月球两极的永久阴影区内与氧气结合形成水冰。

2022年2月，约翰•霍普金斯大学应用物理实验室的凯瑟琳•曼特和其同事在《自然•通讯》（Nature Communications）发表了一篇关于LCROSS任务中对撞击羽流的分析研究论文，该文章指出羽流中氮元素和碳元素的含量远远超出了月球火山喷发所能提供的水平，这更倾向于第一种学说，即月球上的水冰是由小行星或彗星带来的。这就意味着内太阳系天体需要经过小行星或彗星的多次碰撞，才能积累到生命繁衍所需要的水。

此外，还可以通过对月球上的水冰中氘的比例来辅助判断其来源。如果氘含量较高，则有利于第一种学说；如果含量适中，则有利于第二种学说；如果含量较少，则有利于第三种学说。

未来的探索计划

美国直觉机械公司（Intuitive Machines）计划在未来使用SpaceX的火箭将其建造的“新星-C着陆器”（Nova-C）送上月球的沙克尔顿环形山附近的山脊上，然后部署其携带的“微新星月球车”（Micro-Nova Hopper），通过驶入环形山来完成对其初步的勘探工作。

随后，一辆名为VIPER的探测车将搭乘SpaceX重型猎鹰火箭前往月球，驶入月球的3个永久阴影区并向地下钻探，通过钻入地下一米深的冰层或挖掘月球表面上任何裸露的冰，使用光谱分析仪分析这些冰样品，从而揭示其中氘和氢的比例，寻找二氧化碳和氮的踪迹。据此推断月球上的冰是从哪里来的，以及发现冰的一般性条件。

此外，如果能在月球永久阴影区表面或附近采集到水冰，这些水将成为未来建立月球永久基地所需的饮用水或燃料，助力人类文明以月球为中继站继续迈向深空。