摘要：月表水的來源與空間分布特征，是揭示月球形成與演化歷史的關鍵線索，也為月球資源利用的可行性研究奠定基礎，具有重要的科學價值與應用意義。中國科學院地質地球所林楊挺團隊和魏勇團隊，聯合上海技物所、地球化學所和中國航天科技體系與創新研究院行星科學團隊，針對采集自月球背面中緯度區域的嫦娥六號月壤，開展紅外光譜測量、氫含量和同位素組成深度剖面分析等多維度研究，確定其水含量和來源。結合同為中緯度采集的嫦娥五號月壤分析數據，與低緯度阿波羅樣品結果對比，揭示出月球太陽風來源水的空間分布主要受控于緯度和月壤成熟度。
無論是通過樣品分析、遙感探測，還是月表原位觀測，月球存在水這一事實已得到充分證實 (Lin et al., Science Advances, 2022)。這里的“水”，既包括礦物顆粒中蘊含的羥基或水分子，也可能以水冰形態存在于月球極區的永久陰影區。盡管月表確有水存在，但其整體含量較低，每噸月壤中僅含幾十至幾百克水，這一數值比沙漠沙子的含水量還要低至少10倍。即便如此，月球水的發現仍具有重大意義。它不僅徹底改變了人類對月球形成、巖漿演化，以及月表與空間環境相互作用過程的認知，更為月球原位資源利用創造了更大可能，為后續月球探索與開發提供了關鍵有利條件。不過，目前學界對于月表水的具體分布情況，尚未形成統一結論，相關研究仍存在爭議。
目前對月表水分布的認識主要來自于遙感光譜探測。印度“月船一號”搭載的月球礦物繪圖儀（M3），首次實現月表全球紅外光譜探測。它通過分析3 μm附近的光譜吸收特征判斷水的存在與含量，最初結果顯示水主要集中在月球高緯度地區。美國“深度撞擊號”和“卡西尼號” 探測器在飛掠月球時，通過光譜觀測證實低緯度地區也存在水的吸收特征，只是信號相對較弱，進一步擴展了月表水的可能分布范圍。對M3全球數據的后續定量分析，因采用的熱校正模型不同，得出了相互矛盾的結論。基于樣品實驗室光譜所構建經驗熱校正方法的結果顯示，月表水含量與緯度相關：低緯度地區月壤中幾十ppm（克/噸），極地地區則可達750 ppm。而基于熱擴散理論的M3熱校正模型則表明，全球月表水含量不存在顯著區別。這種認知差異的根源，在于對月球非等溫粗糙表面未知熱特性的解讀不同，進而導致對“熱輻射如何影響表面反射光譜”的判斷出現偏差，最終使3 μm處水的吸收特征分析結果不一致。后續的紫外光譜測量雖然也揭示了月表水合特征的非均勻分布，但這些結果同樣受限于光度校正模型的準確性。本質上，對反射光譜中熱輻射貢獻的不同解釋，是導致月表水分布認知存在分歧的核心原因。
在地球實驗室中直接測量月壤樣品光譜，可完全規避月面高溫熱輻射的干擾。1969年至1976年間，美國Apollo計劃與蘇聯Luna任務，從南北緯30°以內的低緯度地區帶回了大量月球樣品。盡管阿波羅計劃的采樣點覆蓋了一定緯度范圍，但低緯度地區的月表水含量本身變化有限，這些樣品難以支撐水含量分布的相關研究。直到2020年，中國嫦娥五號任務實現突破，從北緯43.06°的中緯度區域帶回約1731克月壤，填補了中緯度月壤樣品的空白。嫦娥六號于近期進一步突破，從月球背面南緯41.63°的另一處中緯度地區，成功帶回約1935.3克月壤。這些樣品得以系統評估從低緯度到中緯度地區水的空間分布與含量，同時也為探索正面與背面的水分布和來源差異，創造了前所未有的研究條件（圖1）。
圖1 目前所有月球采樣點的分布。Apollo和Luna樣品均采集于月球低緯度區域，嫦娥五號和嫦娥六號樣品采集于中緯度地區
研究團隊在隔絕大氣的手套箱內對大量的嫦娥六號月壤進行了光譜測量，并進一步利用納米離子探針對20多個顆粒開展了高空間分辨的氫含量和氫同位素分析。結果顯示，月壤樣品光譜在約2.8 μm 處呈現顯著的OH/H2O吸收特征，據此計算的水含量為183±34 ppm（圖2）。納米離子探針測量表明，該月壤具有非常低的氫同位素組成，這與Apollo及嫦娥五號月壤的同位素組成類似，指示月球正背面的表層水絕大部分來自于太陽風的貢獻（圖2）。進一步對比低緯度Apollo月壤與中緯度嫦娥月壤顆粒的氫注入剖面發現，中緯度顆粒表層氫含量更高（圖3），揭示太陽風注入在正面與背面月壤顆粒所產生的水含量分布具有緯度依賴性。考慮到嫦娥五號、六號著陸點白天最高溫度要比Apollo著陸點低30-40 ℃，這一溫度差異可能是嫦娥月壤顆粒最表層保留更高水含量的原因。不同緯度水含量最大值反映了相應溫度下的動態平衡，嫦娥五號和六號水含量剖面的最大值相似，則進一步說明這兩個著陸點的太陽風注入作用相似。
圖2 嫦娥六號月壤樣品紅外光譜測試結果及單顆粒的氫同位素和水含量組成
圖3 不同緯度月壤顆粒表層水含量的深度剖面
盡管嫦娥五號與嫦娥六號采樣緯度相近，研究進一步發現嫦娥六號月壤整體的水含量卻顯著高于嫦娥五號（183 ppm vs. 37 ppm）。與嫦娥五號相比，嫦娥六號月壤的近紅外光譜斜率更陡，且玻璃質物質與亞微觀金屬鐵（Fe?）的含量更高，表明其成熟度更高。由此可見，在排除緯度影響后，成熟度是調控月壤整體水含量的又一重要因素。結合玻璃相含水更高的特征（圖2），可推斷月球風化層中的玻璃質物質可能是太陽風來源水的主要宿主。
總體而言，研究結果表明緯度（溫度）和月壤成熟度是控制月球風化層水含量的兩個主要因素。在高緯度地區高度成熟的月壤中，水含量可能更高。該研究結果為未來的月球資源原位利用提供了重要參考。未來更高緯度的月球采樣將極大地增進我們對月球表面水全球分布的理解。我國嫦娥七號任務計劃在月球南極開展就位探測，其獲取的觀測數據將為研究更高緯度區域的水含量分布特征和來源提供重要支撐。
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