推翻阿波罗月壤研究！中国在月球首次发现分子水，美国为何没发现

又是大发现，中国科学家在嫦娥五号的月壤中发现分子水中国科学院物理研究所的科研团队在嫦娥五号月球样品中，发现了一种富含水分子和铵的未知矿物晶体——ULM-1。这是科学家首次在月壤中发现分子水。

发现分子水的重要意义

在月壤中发现分子水，对于人类开发月球有着跨越时代的意义，这是因为水的重量太重了，又无法压缩，在太空航行中无法携带大量的水，各国的宇宙飞船与空间站都设置了水循环系统，最大限度重复利用水资源。另一方面，水对于太空航行十分重要，除了维持宇航员的生存，水还可以分解成氢气和氧气，作为飞船飞行的燃料、以及供给宇航员呼吸。

水是体内几乎所有生化反应的介质，也是消化等重要生化反应的参与者。除此之外，水更是人类进行社会生产活动的必需品，种植粮食、养殖禽畜、生产食品、发电供暖都需要用到水

但是很多网友发现了一个问题，1969年7月21日，阿波罗11号在月球表面着陆首批重达21.6千克的月球表面样本被带回了地球。正是因为这批样本，“月球是干燥的”成为了人们的共识。此后，1969年至1972年采集的阿波罗382kg样品的研究表明，月壤中未发现任何含水矿物。此后，月球不含水成为月球科学的基本假设，这对认识月球火山演化、月地起源等问题产生了重要影响。

但是现在从嫦娥五号带回的月壤却含有分子水，这是怎么回事？

嫦娥五号月壤和阿波罗月壤差异性

实际上，中美月壤成分相似度不足25%。我们都知道，阿波罗任务的登月宇航员们采集了很多月壤与月球岩石的样本带回地球，一共有382kg，分布广，范围大，因为这些月壤和月岩是由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成，其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质，既可以了解月球的资源情况，为以后开发月球做好数据基础，也可以更充分了解月球的地质演化历史，也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

除了送给其他国家的一些样本，剩下的大多被保管于休斯顿的约翰逊太空中心。它们既不能随意触摸，也不能随便接触地球上的空气。为什么？因为空气中的氧气、水分以及人身上的物质都可能会导致月壤成分变化，影响分析的准确性。想要进入样品间，首先要穿好全套防护服，还要进行“空气淋浴”以防带入灰尘污染。

可以说，全球科学界对于月球表面的许多数据，都是基于美国带回来的这些月壤，因为美国带回来的月球样本还是颇具规模的，按道理来说，中国嫦娥五号带回来的月壤应该和阿波罗计划的差异性不大。

但是实际上，下图是通过

XRD

machine

learning分析的中美月壤，图中上部为嫦娥五号的月壤，下部为阿波罗（Apollo）的月壤.

可以从峰图上看到二者就差异极大。事实上，在组分上，差异也十分明显。

作者在论文里都用“Surprisingly”来形容了，可见二者的差异有多明显（

distinct），用一个说法，就是中美月壤成分相似度不足25%。

这是因为与美国取回的月壤相比，中国取回的月壤比较新，有10-20亿年的历史，美国的降落地点都是在中低纬度的月海，形成年龄集中在42-32亿年前。而在这个范围之外的月球历史事件所对应的时间，全部是以此为锚点，参考其他观测结果（主要是撞击坑统计）外推来的。

也因为月岩标本的来源仅存在于有限的区域内，这些岩石能提供的信息非常有限。想要获取更多的信息，唯一方法就是重返月球，去采集更多来自不同地质背景、形成于不同历史时期的月球样品。

所以嫦娥五号登陆了高纬度吕姆克火山高原位于月海“风暴洋”旁边，中心坐标为301.9°E，40.

7°N，面积近

4000

平方千米，是一个火山穹丘复合体，周围环绕着20多个圆形的熔岩穹丘。海拔约1100米，高于广阔、平滑的月海，也就是“风暴洋”。

该区域内分布有大量与火山活动有关的

地貌，如火山穹隆、熔岩流、月溪等，科学家认为，它的一些区域是由大约10亿年前的岩石构成的，科学家研究称，月球吕姆克山可能在13亿年前就爆发过，那里有“月球上最年轻的月海玄武岩”。这种来自月球的“年轻”岩石从未被取样或研究过，为什么这块区域的岩石会这么年轻，和其他区域相差了近20亿年，这是科学家一直想要解开的谜题，科学家认为，这个地区的火山沉积物可能是理解月球起源和进化的关键。

这也是为什么嫦娥五号会登陆此地的原因，这也是为什么此地的月壤会和美国带回来的样本差异如此巨大的原因，而这也恰恰证明了中国月球样本的稀缺性与独特性。

虽然阿波罗计划带回来的月壤样本中不含有水，但是1994至1999年期间，美国的“克莱门汀”（Clementine）和“月球探勘者”号（Lunar

Prospector）的数据表明，月球两极区域，可能存在着水冰。

而现在嫦娥五号的月壤中发现了分子水，基于二者的差异，科学家认为，在月球更高纬度的地区，（甚至极区）水分子存在的可能性大大增加，甚至永夜坑内部极有可能存在水冰。

开发月球正在有序推进

另外，此次发现的月壤中的分子水是以结晶水的形式存在的，月球中的水分别以这么几种情况存在:一种是以水冰只的形式；另外一种是以水分子的形式存在，这些水分子可通过太阳辐射释放出来，会在月球表面形成水膜；还有一种是结合水的形式，主要是指一些水矿物。

这些水分子是矿物晶体的一部分，通过化学键或氢键与矿物晶体中的其他成分结合。此次新发现的矿物晶体的水分子和铵以水合矿物形式存在，且包含多达六个结晶水分子，水分子在样品中的质量比高达41%。

这在结晶水，水分子保持了其分子结构，没有解离成氢离子和氢氧根离子。而这就意味着我们可以通过加热或者其他的一些方式，把这些水分子从矿石里分离出来。比如坩埚加热矿石，然后通过冷凝回收水。

那么我们一旦在月球建立基地，这些结晶水可以更容易被人类所开发利用，这对于我们开发月球来说，是一个非常大的好消息。

截止目前，地球上共有6个国家的18架绕月轨道探测器对月球进行了遥感探测。美国和苏联分别通过宇航员和返回式取样探测器（LUNA16、LUNA20、LUNA24）将月球表面的月壤、月岩送回地球。

而随着嫦娥五号带回来的高纬度的月壤样本，这就给我们了解月球的全貌又推进了一大步，而随着嫦娥六号带回月背的土壤样本，人类对于月球的认知又会迎来革新。

要知道，由于月球被“潮汐锁定”，自转周期和公转周期相等，地球强大的引力让月球总是以同一面朝向地球，人类在地球上也只能看见月球的正面。

也正因此，月球具有二分性，正面和背面的成分、结构等都存在显著区别。月球正面月壳厚度大约30千米至50千米，玄武岩分布面积大于30%；而月球背面厚度大约60千米至80千米，玄武岩分布面积仅约3%。由于直接暴露在太空中，月球背面如同一块盾牌，阻挡了大量小天体对地球的直接撞击，因此与较为平坦开阔的月球正面不同，月球背面布满沟壑、峡谷和悬崖。“一个很明显的特点就是，月球表面90%以上的低洼平坦区域都在月球正面，这些区域被称为月海，嫦娥五号就降落在月球正面最大的月海——风暴洋中。而月球背面除了莫斯科海以外，几乎没有大型的月海。

根据这些探测数据以及对月球返回样品的分析，可以为早期的撞击历史，甚至地球的早期撞击过程研究提供机会，有助于了解太阳系早期的演化历史和判断历史，推动比较行星学的研究”。除此之外，月球的能源与矿产资源丰富，通过研究月壤，人类可以测定月球上钛铁矿、氦-3、氢等重要资源的含量，并开展氦-3提取、钛铁矿成矿机理等相关研究，为开发利用月球资源提供理论依据。同时月壤覆盖在月球表面，其物理力学特性参数会影响着陆器的着陆。研究月壤的颗粒组成、密度、孔隙度、承载力等特性可以对着陆器进行针对性改进，减少登月时的着陆冲击并增加稳定性，为后续的登月活动甚至建立月球基地做出准备。

随着太空发射成本的不断降低，尽管将月球上的矿产运回地球还有待时日，以3D打印技术和新材料制造技术为代表的新兴建筑技术已被用来建造人类未来的月球家园。就地取材，人类能将月球表面的铁、锰、铝、镁等金属矿产提取冶炼，3D打印成可供居住的太空屋;利用月球高纬度、两极的水可以为人类提供氧气、水等必要资源;综合利用氦3、太阳能等月球上充沛的能源，将助月球开发一臂之力。