中秋节，谈谈月球上的水。

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作者：杨宜修

校对：刘海牧  尹天任

审阅：李宜骅

美编：周英杰

古往今来，从遥远的月宫传说，到如今的月球基地，月球，是人们兴久不衰的话题。对于大部分中国人来说，嫦娥奔月和吴刚伐桂等神话故事从童年就深深根植于文化语境之中。早在周代，人们已有祭月的习俗。“中秋”一词最早出现于战国时期典籍《周礼》中，“龠章：掌土鼓、豳龠。中春昼，击土鼓、吹《豳》诗，以逆暑。中秋夜，迎寒亦如之。”用白话文说就是，籥章掌管击土鼓和吹豳籥。春二月，白天敲击土鼓，吹奏豳诗，以迎接暑气的到来。秋八月，夜间迎接寒气的到来也这样做。“籥章”是周代的官职名称，隶属于“春官宗伯”（相当于后来的礼部）。这个官名的两个字就概括了其主要工作。籥，是一种古老的管乐器，类似笛或排箫，是籥章的主要工作工具；章，则指乐章、诗章。所以，“籥章”简单来说，就是周朝王室主要负责演奏土鼓、吹奏籥器、吟诵《诗经·豳风》诗篇以配合农时、举行祭祀祈福仪式的礼官。在当时，中秋还不读中秋，读仲秋。读中秋要到大约1000年后的唐朝了。古代天子祭拜日月的活动称为“朝日、夕月”，意思就是在春分朝日，秋分夕月。对此，有一些唯美的记载留存至今，比如《大戴礼记》和贾谊《新书》所述“三代之礼，天子春朝朝日，秋暮夕月。”

陈洪绶：宣文君授经图，绘于1638年，现藏于美国克里夫兰美术馆。

图片来源：维基百科

说完古代有关中秋的一些知识，咱们进入正题，讲讲水与月球吧。人们从遥远的时代就开始好奇，月球到底是怎样的，上面长什么样；甚至创造了诸如玉兔、嫦娥、广寒宫等故事和美好遐想。另一方面，水作为万物之源，则是生活不可或缺的部分。然而，一直到进入21世纪以后，随着探月技术与遥感手段的进步，人们才真正开始探究月球有没有水、在哪有水以及如何开采的问题。那么，你有没有好奇过，月球上的“水”究竟是怎样的？和我们所居住的地球上的水有哪些不同？把月球水“转接”到地球人手里，我们能像利用地球水源一样利用月球水源吗？更关键的一点——你知道在月球上，水包括但不等于液态水吗？这一切都有什么有趣知识？本期，我们就借着中秋，带你一探究竟。

上图展示的是印度“月船1号”（Chandrayaan-1）探测器上的“月球矿物成分绘图仪（M³）”所得结果。

左图显示月球表面的红外反射率，右图在同一区域用蓝色标出检测到的水分子吸收特征的强度，蓝色越深表示该区域含水（或含羟基 OH）信号越强。这张图常被NASA和印度空间研究组织（Indian Space Research Organisation）用来说明“首次确认月球表面存在水分子”的证据。

图片来源：维基百科

月球上的“水”

在月球的科学语境中，“水”一词并不像在地球上一样，主要基本是指对自由液态水的统称。在月球上，常见的四类水形态包括：

1. 分子水（H₂O）：这是真正的水分子，可被光谱探测（如 6 µm 基频）。

2. 氢氧基 / 羟基（OH）：氧-氢结合形态，通常与矿物中的金属离子结合，属于“化学结合水”的一种。

3. 水合矿物 / 含水盐 / 吸附水 / 结构水：水分子或羟基被束缚在晶格或矿物结构中（例如水合盐），或者被吸附在颗粒表面、微孔中。

4. 冰 / 固态水：尤其在极地阴暗处，“纯”冰或混杂冰—尘混合物的形态。

月球冷阱中水冰与月壤可能的混合形式。

图片来源：中国空间科学学报

分布规律是什么？在哪里更可能有水？

根据2023年《科学》等杂志的研究，在月球两极，某些陨石坑深处的地形几乎终年不见阳光，这些区域称为极地永久阴影区（PSR），温度极低，可长期稳定保存冰。2009－2010年，NASA的LCROSS任务以撞击方式探测月球南极的Cabeus暗坑，发现抛射物中含有水、冰以及挥发物，水含量估算在较高水平。这一结果，是迄今为止最直接的“月球冰”证据之一。但要说明的是，PSR不一定是“冰块巨坑”，其化学组份可能混杂了尘冰或细小颗粒冰。

其次，与阴影区相对的是日照区 / 非极区。虽然日照区不能稳定存在大块冰，但空中红外天文台（SOFIA）的探测结果表明，有微量分子水以ppm（百万分之一）的级别存在。这些水可能藏在玻璃质颗粒、颗粒间隙或阴影保护的位置。

根据德国斯图加特大学的研究，水信号经常与地形坡度、朝向、阴影覆盖等因素相关。举例来说，坑壁面向阴影的面积、阴坡后背、陡崖下方等区域都可能稍微聚水。同年，NASA旗下的大学空间研究协会（USRA）发表的文章表明，在月球南极附近绘图中，某些高地山脊和陨坑壁侧面都比平原更“湿”。

从上述规律出发，未来如果选址月球基地或者水资源开采区，很可能是日照条件合理并接近永久阴影区的位置。

月球极区的平均光照情况（百分比）。

图片来源：深空探测学报

如何把月球上的水“开采”成可用资源？

这一环节是技术与工程的核心，通常来说，要判断一个地方值不值得开采，需要综合运用多种探测方法，比如使用遥感/光谱/热红外探测方法用于判断水的吸收特征与空间分布，雷达/微波探测则可判别冰块反射特性与结构。除此之外，研究人员也用日照模型模拟昼夜温度、阴影覆盖和热传导情况，以评估水的稳定性；用坡向、坡度、坑壁几何、陨石覆盖等地貌作为辅助和优选因素。最后，他们会用样品返回的方式验证地下结构、水含量和可提取性。

在月球极端环境下，把冰或者微量水转变为可用的液态水、氧气和氢气，需要克服不少挑战，大多涉及物理、热力、动力与材料。现有的几种主流思路包括热释放、热挖掘、电解水＋氢氧分离与金属还原＋水/冰混合开采。

拿热释放来说，方法手段是在冰区进行加热以使水蒸气释放，然后补集。但这个方法的缺点也不容小觑，能耗高并且可能损失挥发物，的可能使得让这种方法实行起来非常困难重重。热挖掘，字面意思，非常直接，。就是机械工具挖掘有冰的土壤后再集中加热处理。至于电解水＋氢氧分离，则是如果将获得的水或者水蒸气电解，可以分出氧气与氢气，用于生命支持和推进剂。

最后，在没有大量冰区的日照区，可以采用还原月壤中的氧（比如，从氧化物中释放氧）与气体反应来生成水或燃料。这类方法通常和纯水开采互为补充。在一项由国家科学期刊（National Science Review）发表的研究中，研究人员已将嫦娥五号月壤用于 CO₂ 电催化反应生成 CH₄ 与 O₂。此外，在月面操作人员极其有限的条件下，自动机器人系统得担当不少重任：挖掘、加热、采样、催化、电解、材料搬运……

月球不同时期岩浆-热演化示意图。

图片来源：中国科学院地质与地球物理研究所

里程碑时间线

16世纪的时候，达·芬奇在其著作《莱斯特手抄本》中试图解释月球的光度，他假设月球表面被水覆盖并反射太阳光。在他的模型中，水面上的波浪使光线向多个方向反射，这解释了为什么月球不如太阳明亮。

1834 年至 1836 年，威廉·比尔 (Wilhelm Beer)和约翰·海因里希·马德勒 (Johann Heinrich Mädler)出版了四卷本的《月球地图》 (Mappa Selenographica) ，并于 1837 年出版了《月亮》一书。他们认为，月球表面没有水体，也没有任何可察觉的大气层。

威廉·比尔和约翰·海因里希·马德勒出版的《月球地图》 (Mappa Selenographica)。

图片来源：网络

阿波罗计划、露娜24号、克莱门汀、月球勘探者……20世纪的月球观测计划可谓百花齐放。1961年，加州理工学院的研究人员肯尼斯·沃森、布鲁斯·C·默里和哈里森·布朗首次提出了月球极地陨石坑底部可能存在冰的可能性。地球雷达测量被用来识别永久阴影区，这些区域可能蕴藏着月球冰：估计北纬 87.5 度以南极地区阴影区的总面积分别为1030平方公里和2550平方公里。随后，研究人员对更多地形进行了计算机模拟，结果表明，可能有多达 14000平方公里的区域处于永久阴影中。

在阿波罗宇航员采集的月球岩石样本中，他们发现了微量的水。最初人们认为这由污染造成，因为月球表面的大部分地区通常被认为是完全干燥的。然而，2008 年的一项月球岩石样本研究发现了水分子被困在火山玻璃珠中的证据。

2009年，月球矿物测绘仪（Moon Mineralogy Mapper）等发现月表在 3 µm 波段有水/氢氧基吸收特征，暗示月壤可能含有 OH 或 H₂O。2020年，SOFIA（空中红外天文台）使用 FORCAST 仪器在 Clavius 陨石坑等地测得 6 µm 波段发射特性，对应分子水信号。估算水含量约为 100–400 ppm级别。基于 SOFIA 的多次观测，科研团队绘制了南半球高纬度月面的水分布图，发现山脊阴侧等局部地形处水丰度略高。在这些图中，出现了“湿脊”（wet ridge）这个概念。

同年，我国嫦娥五号成功带回约1731克的月壤样品。科学家随后在样品中检测到水/氢氧基信号，并估算每吨月壤中含水量约为百克级别。2025年的一篇综述指出，每吨月壤约含 120 g 水，每吨月岩约含180g水。此外，嫦娥五号还开展高光谱成像探测，以识别 OH / H₂O 分布。

嫦娥五号月壤样品。

图片来源：中国科学院

任务前瞻播报

1. NASA VIPER在2024年被取消后，2025年改由贝索斯所创立的航天公司蓝色起源（Blue Origin）承担潜在运送任务的预研工作。是否真正复活仍取决于后续评审与经费。

2. 2024年，IM-1（Intuitive Machines）登陆近南极区域，推进南极就位技术验证。

3. 嫦娥七号目标计划2026 年左右进行南极水冰勘查/跳跃探测。这是面向国际月球科研站（ILRS）的长期建设蓝图。

常见误区

Q

都发现水了，那是不是可用冰遍布各地？

并非如此。日照区多为ppm级分子水，不可与极地永久阴影区的坑底冰一概而论。

A

Q

雷达亮？那一定有水？

并非如此。雷达亮也可能是粗糙块体和几何效应导致的。

A

Q

永恒峰就是真的永恒日照之地吗？

并非如此。只是日照率高、季节变化明显。

A

Q

参考资料

1. 维基百科

2. Nature期刊

3. Science期刊

4. NASA Science

5. University of Stuttgart: SOFIA maps water on the moon, March 17, 2023

6. USRA Newsroom

7. Frontiers

8. National Science Review: In situ resource utilization of lunar soil for highly efficient extraterrestrial fuel and oxygen supply, September 23, 2022

9. 周礼白话文翻译来源：古诗文网

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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“名到用时方恨少”

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