美国宇航局说，月球表面上的寒冷阴影可以解释月亮水的谜团

月亮被陨石坑和岩石覆盖，形成了铸造阴影的表面“粗糙度”，从1972年阿波罗17个使命中看到这张照片中所见。这些寒冷的阴影可能允许水冰甚至在白天累积为霜冻。详细区域在下图中突出显示。信用：美国宇航局

月球表面粗糙的阴影形成了小的冷点，水冰即使在严酷的月球白天也会聚集。

科学家们有信心在月球的两极在永久阴影的陨石坑内部——换句话说，就是那些永远不会受到阳光照射的陨石坑。但观测显示，月球表面的大部分地区也存在水冰，即使是在白天。这是一个谜:以前的计算机模型表明，在月球夜晚形成的水冰应该会在太阳爬上头顶时迅速燃烧掉。

“在十年前，航天器在月亮表面上发现了水的可能存在，这被确认通过">美国宇航局天文台的平流层红外天文天文台[索菲亚]在2020年，“南加州南部的北美航空航天局的喷气式推进实验室的科学家Björn·戴维森“首先，这些观察结果是违反直觉的：水不应该在这种恶劣环境中存活。这挑战了我们对农历表面的理解，并提高了关于挥发物，如浇水，可以在无气体上存活的兴趣问题。“

在一项新的研究中，戴维森和共同作者索纳·侯赛尼(Sona Hosseini)进行了研究喷气推进实验室该研究认为，月球表面“粗糙”造成的阴影为水冰提供了避难所，使水冰能够在远离月球两极的地方形成表面霜。他们还解释了月球的外逸层(类似稀薄大气层的稀薄气体)如何在这个谜题中扮演重要角色。

这张插图放大了前一张图片中显示的细节区域，展示了阴影如何使水冰在阳光照射的月球表面生存。当阴影随着太阳的轨迹在头顶移动时，暴露的霜冻会停留足够长的时间，让航天器探测到。来源:美国国家航空航天局/姓名

水陷阱和霜口口袋

许多计算机模型简化了月球表面，使其变得平坦而无特征。因此，人们通常认为，远离两极的月球表面在月球白天会均匀升温，这就使得水冰不可能长期留在月球表面。

那么在永久阴影区域的月球上被检测到水如何如何？检测的一个解释是水分子可以被捕获在岩石内或由陨石撞击的令人难以置信的热量和压力产生的冲击玻璃。在这些材料内融合，如同该假设表明，即使在太阳加热的同时产生由索非亚检测到的信号的同时也可以在表面上保留水。

但是这个想法的一个问题是，月球表面的观察表明，中午（阳光在其峰值时的峰值时）的水量减少，下午增加。这表明水可能通过农历日从一个位置移动到另一个位置，如果它们被困在月球岩石或冲击玻璃内，这是不可能的。

戴维森和侯赛尼修改了计算机模型，将1969年至1972年阿波罗任务的图像中明显的表面粗糙度考虑在内。这些图像显示，月球表面布满了巨石和坑坑洼洼，即使在接近中午的时候，也会产生许多阴影区域。戴维森和侯赛尼通过将这种表面粗糙度纳入他们的计算机模型，解释了在小阴影中霜是如何形成的，以及为什么水的分布在一天中会发生变化。

因为没有厚厚的大气层在地表周围散发热量，那里非常冷，有阴影，温度可能骤降到零下350度华氏温度(零下210度摄氏），邻居热区域暴露在阳光下，温度可能达到240华氏度（120摄氏度）。

由于太阳轨道通过农历日，可能在这些寒冷，阴影区域积聚的表面霜，慢慢暴露在阳光下并循环到月球的外层。然后将水分子冷却到表面上，以其他寒冷的阴影位置的霜重新升压。

戴维森说:“霜冻比困水更容易移动。”“因此，这个模型提供了一种新的机制，解释了水是如何在月球表面和稀薄的月球大气之间流动的。”

一种假设是水分子被困在月球物质中(左图)。但一项新的研究假设，水分子(右)在寒冷的阴影中以霜的形式留在表面，并通过稀薄的外逸层移动到其他寒冷的地方。来源:美国国家航空航天局/姓名

仔细看看

虽然这并不是第一个研究在计算月球表面温度时考虑表面粗糙度，之前的工作没有考虑到阴影会如何影响水分子在白天成霜时留在月球表面的能力。这项新研究很重要，因为它有助于我们更好地了解月球的水是如何被释放到月球的外逸层中，以及如何从外逸层中移除。

“了解水作为资源对于未来人类月球勘探的美国宇航局和商业努力至关重要，”霍斯赛尼尼说。“如果在月球的阳光下的阳光下以霜的形式提供水，未来的探险家可以将其作为燃料和饮用水的资源。但首先，我们需要弄清楚极端和表面如何互动以及循环中扮演的角色。“

为了测试这个理论，Hosseini领导一个团队开发超小型传感器，以测量来自水冰的微弱信号。The Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer (HOLMS) is being developed to be used on small stationary landers or autonomous rovers – like JPL’s Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot (A-PUFFER), for example – that may be sent to the Moon in the future to make direct measurements of hydroxyl (a molecule that contains one hydrogen原子和氧原子）。

羟基，是水的分子表亲两个氢原子和一个氧原子)，可以作为一个指标，有多少水可能存在于逸出层。水和羟基都可以由陨石撞击和太阳风粒子撞击月球表面产生，所以测量这些分子在月球外逸层的存在可以揭示有多少水被产生，同时也可以显示水是如何从一个地方移动到另一个地方的。但时间是进行这些测量的关键。

“目前几家国家和私营公司的农历勘探表明在不久的将来对农历环境进行了重大的人造变化，”霍斯尼尼说。“如果这种趋势持续，我们将失去理解自然农历环境的机会，特别是通过月球原始外部骑自行车的水。因此，超紧凑的高灵敏度仪器的先进发展是重要的重要性和紧迫性。“

研究人员指出，这项新的研究可以帮助我们更好地了解阳光和气体分子在月球上积累的角色阴影，如">火星甚至在粒子里土星响了。

该研究发表在《皇家天文学会月刊》2021年8月2日。

参考文献:“月球上水解吸模型中表面粗糙度的含义”Björn J R Davidsson和Sona Hosseini, 2021年8月2日，《皇家天文学会月刊》．
DOI: 10.1093 / mnras / stab1360