據(jù)外媒報(bào)道，科學(xué)家們相信，在月球兩極永久遮蔽的環(huán)形山內(nèi)部可以找到水冰--換句話說，就是那些從未接受過陽光的環(huán)形山。但觀測(cè)顯示，月球表面的大部分地區(qū)也存在水冰，即使是在白天。這是一個(gè)謎：以前的計(jì)算機(jī)模型表明，在月球夜晚形成的水冰應(yīng)該會(huì)在太陽爬上頭頂時(shí)迅速燃燒掉。

“十多年前，航天器探測(cè)到月球日面可能存在水，這在2020年被NASA的紅外天文平流層天文臺(tái)(SOFIA)證實(shí)，”NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的科學(xué)家Bj?rn Davidson指出，“這些觀察結(jié)果一開始是違反直覺的：水不應(yīng)該在這樣惡劣的環(huán)境中生存。這對(duì)我們對(duì)月球表面的理解提出了挑戰(zhàn)，并還帶來了一些有趣的問題，如水冰等揮發(fā)物是如何在沒有空氣的物體上生存的。”

在一項(xiàng)新研究中，Davidson及研究論文共同作者、JPL研究和儀器科學(xué)家Sona Hosseini認(rèn)為，月球表面的“粗糙”造成的陰影為水冰提供了避難所，這使其能在遠(yuǎn)離月球兩極的地方形成表面霜。他們還解釋了月球的外逸層如何在這個(gè)謎題中扮演重要角色。

聚水和霜凍

許多計(jì)算機(jī)模型簡(jiǎn)化了月球表面從而使其變得平坦且無特征。因此，人們通常都會(huì)認(rèn)為，遠(yuǎn)離兩極的月球表面在月球白天會(huì)均勻升溫，這就使得水冰不可能長(zhǎng)期留在月球表面。

然而在月球永久陰影區(qū)域之外，水又是如何被探測(cè)到的呢?一種解釋是，水分子可能被困在巖石或由隕石撞擊產(chǎn)生的令人難以置信的熱量和壓力產(chǎn)生的沖擊物質(zhì)中。正如這一假設(shè)所表明的，水在這些材料中融合，即使被太陽加熱也能留在表面，同時(shí)還能產(chǎn)生SOFIA能探測(cè)到的信號(hào)。

但這個(gè)想法有一個(gè)問題是，對(duì)月球表面的觀測(cè)表明，正午之前(陽光最充足的時(shí)候)，月球表面的水量會(huì)減少，而下午的水量會(huì)增加。這表明水可能在整個(gè)月球日從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)地方，如果它們被困在月球巖石或撞擊物質(zhì)中，這樣的假設(shè)是不成立的。

為此，Davidson和Hosseini修改了計(jì)算機(jī)模型，他們將1969年至1972年阿波羅任務(wù)的圖像中明顯的表面粗糙度考慮在內(nèi)。這些圖像顯示，月球表面布滿了巨石和坑坑洼洼的區(qū)域，即使在接近中午的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生許多陰影區(qū)域。他們通過將這種表面粗糙度納入他們的計(jì)算機(jī)模型解釋了在小陰影中霜是如何形成的以及為什么水的分布在一天中會(huì)發(fā)生變化。

由于月球表面沒有厚厚的大氣層來散發(fā)熱量，極冷陰影區(qū)域的溫度可能會(huì)驟降至零下350華氏度(零下210攝氏度)，而暴露在太陽下的高溫區(qū)域其溫度可能高達(dá)240華氏度(120攝氏度)。

當(dāng)太陽沿著月球的軌道運(yùn)行時(shí)，月球表面的霜可能會(huì)在這些寒冷的陰影區(qū)域積聚，然后慢慢地暴露在陽光下并循環(huán)進(jìn)入月球的外逸層。然后水分子重新凍結(jié)在表面、在其他寒冷陰暗的地方再次積累成霜。

Davidson說道：“霜凍比困水更容易移動(dòng)。因此，這個(gè)模型提供了一種新機(jī)制，它解釋了水是如何在月球表面和稀薄的月球大氣之間流動(dòng)的。”

更深入的觀察

雖然這不是第一個(gè)在計(jì)算月球表面溫度時(shí)考慮表面粗糙度的研究，但之前的工作沒有考慮到陰影會(huì)如何影響水分子在白天以霜的形式留在月球表面的能力。這項(xiàng)新研究非常重要，因?yàn)樗兄谖覀兏玫亓私庠虑虻乃侨绾伪会尫诺皆虑虻耐庖輰又幸约叭绾螐耐庖輰又幸瞥?/p>

Hosseini說道：“了解水是一種資源，對(duì)NASA和未來人類月球探索的商業(yè)努力至關(guān)重要。如果在月球陽光充足的地區(qū)有水以霜的形式存在，那么未來的探險(xiǎn)者可能會(huì)把它作為燃料和飲用水的來源。但首先，我們需要弄清楚外逸層和地表是如何相互作用的以及它們?cè)谘h(huán)中扮演什么角色。”

為了驗(yàn)證這一理論，Hosseini正帶領(lǐng)一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了超小型傳感器來測(cè)量水冰發(fā)出的微弱信號(hào)。 Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer (HOLMS) 正在被開發(fā)用于小型固定著陸器或自主漫游者--如JPL的Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot (A-PUFFER)，它可能會(huì)在未來被送往月球直接測(cè)量羥基。

羥基是水的分子表親，它可以作為外逸層中可能存在多少水的指標(biāo)。水和羥基都可以由隕石撞擊和太陽風(fēng)粒子撞擊月球表面產(chǎn)生，所以測(cè)量這些分子在月球外逸層的存在可以揭示有多少水被產(chǎn)生，同時(shí)還可以顯示水是如何從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方的。但時(shí)間是進(jìn)行這些測(cè)量的關(guān)鍵。

Hosseini指出：“幾個(gè)國家和私營企業(yè)目前對(duì)月球的探索表明，在不久的將來，月球環(huán)境將發(fā)生重大的人為變化。如果這種趨勢(shì)繼續(xù)下去，我們將失去了解月球自然環(huán)境的機(jī)會(huì)，尤其是在月球原始外逸層中循環(huán)的水。因此，超緊湊、高靈敏度儀器的先進(jìn)發(fā)展至關(guān)重要和迫在眉睫。”

研究人員指出，這項(xiàng)新研究可以幫助我們更好地理解陰影在月球以外的水、冰和氣體分子的積累中所起的作用。

相關(guān)研究報(bào)告于2021年8月2日發(fā)表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。

關(guān)鍵詞： NASA 月球表面 冰冷陰影 月球水 水冰