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即使在严酷的太阴日，月球粗糙表面投下的阴影区域也会使水和冰堆积，形成一系列小的“冷点”。

图片来源:NASA

科学家认为，我们将在月球两极永久阴影笼罩的环形山中，也就是永远不会暴露在阳光下的凹陷区域，发现水冰的存在。但是观测表明，即使在月球的白天，水冰也存在于月球表面的大部分区域。这就带来了一个无法解释的谜团:之前的计算机模型显示，月球上任何夜间形成的水冰都应该在太阳升到该区域空时迅速融化蒸发。

“早在十几年前，飞船就探测到月球表面可能有水。美国宇航局的平流层红外天文观测站(SOFIA)在2020年证实了这一点。”美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的科学家比约恩·戴维森说。“起初，这些观察是反直觉的:水不应该存在于如此恶劣的环境中。这个结果让我们重新审视了之前对月球表面的认识，也提出了一些有趣的问题，比如在没有空气体的情况下，水冰等挥发物是如何存在于天体上的。”

在一项新的研究中，戴维森和共同作者索娜·侯赛尼(喷气推进实验室的研究和仪器科学家)认为，月球表面粗糙产生的阴影为水冰提供了庇护，水冰甚至可以在远离月球两极的地方结霜。他们还解释了月球的外逸层(月球周围极薄的气体层)可能在这个谜团中发挥了重要作用。

图片:美国宇航局/加州理工学院喷气推进实验室

截留的水和流动的霜

许多现有的计算机模型已经简化了月球的表面，使它成为一个没有不规则的马平川。所以一般认为，在月球的白天，远离两极的月球表面温度会均匀上升，水冰不可能长时间停留在被太阳光照射的月球表面。

那么为什么在月球永久阴影区之外可以探测到水的存在呢？对探测结果的一种解释是，水分子可能被困在岩石或撞击玻璃中，撞击玻璃是陨石撞击产生的极端高温和巨大压力下形成的玻璃状物质。与岩石或醒目的玻璃结合，使得水分子即使在面对阳光的情况下也能存在于月球表面，同时被索菲亚探测到，这也正是之前假说所推测的。

但是这个推断还有一个问题，就是对月球表面的观测显示，中午之前(也就是太阳光量达到峰值的时候)月球表面的水量逐渐减少，但是到了下午又会逐渐增加，说明月球表面的水可能在一天之内从一个位置移动到了另一个位置，如果它们被束缚在月球岩石中或者撞到了玻璃上，这是不可能的。

和戴维森·侯赛尼因此优化了他们的计算机模型，考虑到了1969年至1972年阿波罗任务图像中明显的表面粗糙度。这些图像显示，月球表面覆盖着巨大的岩石、凹陷和坑洞，即使在接近中午的时候也有许多阴影区。戴维森和侯赛尼在他们的计算机模型中考虑了这种表面粗糙度，解释了小阴影区域形成霜的可能性以及水分子分布在一天中发生变化的原因。

由于缺乏足够厚的大气层，月球表面的热量难以维持和分散。那些温度可能骤降至零下350华氏度(零下210摄氏度)的极寒阴影区，也可以与暴露在阳光下的极热区域紧密相邻，而后者的温度往往高达240华氏度(零下120摄氏度)。

当太阳穿过月球空时，这些低温阴影区积累的霜会慢慢地逐渐暴露在太阳下，然后循环进入月球的外逸层。外逸层的水分子会再次冻结在月球表面，在其他低温阴影区再次堆积成霜。

“与被困在岩石或撞击玻璃的水相比，霜的流动性要高得多，”戴维森说。“因此，我们的模型提供了一种新的机制来解释水如何在月球表面和稀薄的月球大气之间移动和循环。”

图片:美国宇航局/加州理工学院喷气推进实验室

进一步探索

虽然这不是第一个在计算月球表面温度时考虑月球表面粗糙度的研究，但以前的研究没有考虑阴影面积如何影响月球表面水分子在白天作为霜的能力。这项新研究很重要，因为它可以帮助我们更好地理解月球表面的水是如何释放到月球外逸层的，以及它是如何离开月球外逸层的。

侯赛尼说:“将水作为月球资源进行研究，对于美国宇航局和未来的商业人类月球探测非常重要。”“如果水在月球被太阳照射的区域以霜的形式存在，未来的探险者可能会把它作为燃料和饮用水资源。但首先，我们需要弄清楚外逸层和月球表面是如何相互作用的，以及它们在循环中扮演了什么角色。”

为了测试这一理论，侯赛尼正带领一个研究小组开发超微型传感器，用于测量水冰的微弱信号。正在开发的传感器称为外差式OH月球小型化光谱仪(HOLMS)，将用于小型固定月球着陆器或自主月球车。比如喷气推进实验室的自动弹出平板折叠探索机器人(A-PUFFER)，未来霍尔姆斯或许可以直接测量月球表面的羟基(-OH)。

羟基是水分子的“表亲”，可以作为外逸层可能含水量的指标。月球表面的陨石撞击和太阳风粒子撞击都能产生水和羟基。因此，测量月球外逸层中这些分子的存在，可以揭示上述过程产生的水量，同时也可以显示水分子是如何从一个地方移动到另一个地方的。这些测量的关键是时间。

“目前几个国家和私人公司的月球探测表明，在不久的将来，由于人为因素，月球环境将发生重大变化，”侯赛尼说。“如果这种趋势持续下去，我们将失去了解月球自然环境的机会，尤其是月球原始大气中循环的水。因此，研制极其紧凑和高灵敏度的仪器意义重大，时间紧迫。”

研究人员指出，这项新研究可以帮助我们更好地理解阴影区域对月球以外其他行星上水冰和气体分子积累的影响，例如火星甚至土星环中的小天体。

这项名为“月球水退化模型中表面粗糙度的含义”的研究发表在2021年8月2日的皇家天文学会月刊上。

参考来源:

[1]https://www . NASA . gov/feature/JPL/NASA-study-highlights-importance-of-surface-shadows-in-moon-water-puzzle

[2]https://SVS . gsfc . NASA . gov/4893