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研究利用嫦娥五号探测数据获得月表原位条件下的水含量

2022-01-17 地质与地球物理研究所
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  2020年12月1日,嫦娥五号探测器成功着陆在月球风暴洋北部地区,并于12月17日将1731克月球样品带回地球,基于样品的实验室研究,确定着陆区玄武岩的年龄约为20亿年(Li et al., 2021;Che et al., 2021)。除了采集月球样品返回地球之外,嫦娥五号探测器的另一个重要任务是在原位条件下获取采样区的形貌与物质成分,解析月表水特征。月表水的探测对于约束月球的形成过程、月球科研站建设和原位资源利用等至关重要。中国科学院地质与地球物理所行星科学团队、上海技术物理研究所、国家空间科学中心,以及南京大学、美国夏威夷大学合作,利用嫦娥五号探测数据,首次获得了月表原位条件下的水含量。

  1952年,诺贝尔化学奖得主Harold Urey(1934年)提出月球上可能存在太阳永远无法照射到的洼地(后称“永久阴影区”),其中或存在一些挥发性的物质。1961年,加州理工学院科学家Kenneth Watson等通过数值模拟展示了水蒸气在地质时间尺度上是如何困于永久阴影区的。1969至1972年,阿波罗任务在月球上采集了大量的样品并返回地球,使人们有机会直接测量月球上是否有水,但月壤很干,宇航员留在月球表面探测大气的仪器无法探测到水,这似乎让“月亮是干的”成为了事实。然而,1978年,苏联科学家Akhmanova在Luna 24任务(1976年发射)采集的样品中测量到约0.1 wt.%的水,而该结果未被重视。直到1994年“克莱门汀”任务实施前,关于月球水的研究处于停滞阶段。“克莱门汀”利用雷达技术对月球两极进行探测,雷达波的反射模式认为极区永久阴影区的月壤中存在水冰,但阿雷西博地面望远镜观测表明非永久阴影区也存在类似的雷达波反射模式。水的组成元素是氢和氧,那么,测量月球氢的含量可能是探测水的一个方式。因此,1998年月球勘探者号携带了一台中子谱仪进入月球轨道,探测到大量的氢,模型估计月球极区可能存在数亿吨的水。

  探测月球水更直接的方式——在月表反射光谱中寻找水分子或羟基的吸收特征。2009年,“月船一号”搭载的月球矿物绘图光谱仪发现,在月球上水随处可见,且水含量随纬度的增加而增加,另外,水含量还随太阳照射角度的变化而有所变化,这暗示了月球水的太阳风成因。这或许是很多人第一次意识到月球上有水(这里的“水”是指水分子或羟基)。前往土星的“卡西尼号”飞掠月球时的光谱观测也证实了“月船一号”的探测结果,此外,“月船一号”团队请求当时正前往彗星的探测器“深度撞击号”(Deep Impact)对月球进行光谱测量,同样支持“月船一号”的结果。同年,随“月球勘测轨道飞行器”(LRO)一起升空的“月球观测和传感卫星”(LCROSS)以2.5公里/秒的速度撞击月球永久阴影区,利用光谱仪测量撞击产生的部分尘埃,数据显示水确实存在于月球上。月球水的发现改变了人们对月球形成和演化过程的科学认知。新一轮的月球探测从纯科学探索向科学研究与应用并重转变,提出了“月球村”“月球科研站”等未来规划,水作为重要的资源也受到更多重视。

  经过半个多世纪的争论和探测,各种“实锤”证据让人们相信月球上有水存在,但月球水的含量、来源等仍是需要研究的问题。此外,尚未有在月表原位进行水的探测。嫦娥五号探测器携带了月球矿物光谱分析仪,在采样过程中获取了月表的光谱,就如同我们在月球上出了一次“野外”,第一次有机会在月表近距离、高分辨的探测水的信号。

  当前,光谱技术是探测月球水及其分布较为直接的方式。羟基(OH)和/或水分子在光谱3微米附近具有明显的吸收特征。通过分析3微米附近的光谱特征,可识别月表水并获得水含量。这里的“水”指的是指水分子或羟基,这是由于目前获得的月球光谱遥感数据波段覆盖范围无法区分月表水是羟基还是水分子的存在形式。月表温度在当地中午可达100℃以上,如此高温下月壤产生的热辐射会改变2微米之后的光谱形态,从而掩盖水的特征。因此,光谱的热校正是探究月表水重要一步,而获取准确的月表温度是光谱热校正的关键(图1)。月球LRO卫星的DIVINER探测器可以获取月表的温度,但均是利用热红外波长(>7微米)进行测量,由于月表非等温性和不同波长的穿透深度不同,且真空条件下月壤层存在较大的热梯度,从以热发射为主的光谱波段估算的温度不能直接适用于2-4微米的区域。由于在2-4微米的光谱区域,光谱仪接收到的反射和发射能量均占较大比例,因而从光谱中准确估计温度颇具挑战性。

  目前,主要是利用实验室经验模型进行月表光谱的热校正。经验模型是利用阿波罗样品光谱建立起1.55和2.54微米之间的关系,基于这个关系预测2.54微米处的真实反射率,其与观测反射率之间的差异即为热辐射的影响,据此可以推测月表温度进而校正整条光谱。经验模型在月球矿物绘图光谱仪(M3)数据上得到应用,但没有进行原位数据的验证。地质地球所行星科学团队利用嫦娥四号月球车在月表同一区域、同一月昼不同时刻测量的一系列红外光谱,估算了嫦娥四号着陆区的月表温度,并对嫦娥四号光谱进行热校正处理,证明了经验模型在嫦娥系列任务光谱数据的适用性(Lin et al., 2021)。

  嫦娥五号光谱仪对采样区约2米×2米范围的区域进行光谱观测,除了月壤之外,还包括一块没有带回来的岩石(图2A)。基于热校正后的光谱检测2.85微米处的特征,发现岩石和月壤体现出不同程度的吸收(图1)。实验室数据显示,矿物中水的含量与其光谱吸收强度具有很好的线性关系,这个线性关系主要与粒径相关(图1)。对已有月壤样品的测量显示,它们的平均粒径约60-80微米,据此估算嫦娥五号采样区的水含量在120 ppm(百万分之120)以下;而岩石中的水含量约为180 ppm。

  成分估算结果显示,采样区的岩石与月壤成分相差很大,来源不一致。遥感数据辅助分析显示,该岩石可能与嫦娥五号着陆区西北方向的古老低钛玄武岩(~34亿年)比较一致。结合样品分析研究表明,月壤中的水大部分来自于太阳风。如果将月壤中120 ppm的水全部作为太阳风来源,岩石中仍多出60 ppm的水(高于20%的模型误差),多出来的这些水或代表了月球内部水。而嫦娥五号着陆区年轻玄武岩本身的水含量低,可能说明了着陆区月幔较干或经历了大量脱气的过程,这与风暴洋地区长期的火山喷发一致。

  嫦娥五号着陆器上的月球矿物光谱仪对着陆点的月壤和岩石进行了反射率光谱测量,根据2.85微米的明确吸收特征,首次提供了月球上水的原位探测证据。嫦娥五号原位的科学成果在大尺度上为样品分析提供了背景支撑。嫦娥五号是目前唯一一次既返回样品又获取到月表原位光谱的任务,样品能够详细分析水在月壤颗粒中的分布、存在形式,并可利用同位素示踪来源,而原位光谱可以与轨道遥感建立联系,能够剖析月表水的全球性分布和时间变化特征。月表水的分布可能与纬度高度相关,嫦娥五号也是目前返回样品中纬度最高的,这对解析月表水的分布及来源具有重要意义。嫦娥六号、嫦娥七号将在原位和轨道尺度继续探测月表水的含量、分布,而该成果将为嫦娥六号、嫦娥七号的科学目标实现提供支撑。

  相关研究成果发表在Science Advances上。

图1.上图为嫦娥五号测量光谱与实验室样品、轨道光谱对比;下图为水的光谱吸收参数ESPAT与水含量之间的关系(Li and Milliken, 2017)

图2.嫦娥五号采样区背景图和水含量

打印 责任编辑:侯茜

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