在月球上想喝水怎麼辦？只好吃土了

（原文刊登於泛科學）

月球，距離我們最近的星體，也是人類離開地球、邁向太空的第一站。長久以來，不管是月球表面的探勘照片、還是太空人登陸月球的錄影畫面，似乎都暗示著：月球是乾燥的不毛之地，不適人居：沒有變形金剛的太空船、也沒有嫦娥或月兔。

最近幾年，我們對月球的認識有了長足進展，越來越多證據表明，月球上不但有水，甚至出現在意想不到的地方，對人類未來的月面活動帶來潛在幫助。

不妨想像：未來人類在月球建立前哨站，駐紮於當地的人員，一切生活所需都有賴地球補給；唯一的例外，可能就是靠挖土取水——這不是掘井，而是要擷取月球土壤內的稀少水分…

月球，全然乾燥之地

打從1969年人類首度登陸月球以來，科學家針對帶回地球的月球土壤╱岩石樣本，已進行過多次分析，並從中發現諸多元素╱化合物存在的堅實證據——但並不包括水；科學家推測，約莫45億年前，原始地球曾與大小接近火星的天體碰撞，產生的物質碎屑環繞地球並逐漸合併，最終形成月球。因為撞擊的龐大能量之故，月球剛形成時，表面覆蓋著岩漿海洋，水和其他高揮發性物質則散逸殆盡——稱為大碰撞假說（Giant impact hypothesis）。

數十年來，一切跡象在在顯示，月球是個缺水的地方，除了1976年，蘇聯的月球24號（Luna 24）探測器，於月球地底2公尺深處，獲取的170.1公克土壤之外——蘇聯科學家於1978年的論文聲稱，從中發現水的存在。只是，既然美國科學家從未在月球土壤裡發現過水，蘇聯科學家也無法保證樣本絕未受到地球環境污染，這件事就這麼不了了之，沒有被認真看待。

月球，有點乾燥又沒那麼乾燥之地

學界對月球的認知開始改變，是在2008年，科學家利用更先進的技術，重新分析早前美國從月球帶回來的火山玻璃岩石樣本，確認了水的微量存在；隔年，印度首個月球探測器錢德拉揚1號（Chandrayaan-1），也發現月球表面疑似存在水分子。

在那之後，有不少月面觀測或者岩石分析陸續得到類似結論，但都不能說是確切證據——主要原因在，各種不同月面觀測看到的訊號，或許來自羥基（OH），而非水分子（H₂O），不然就是還有其他解釋；再者，亦有研究顯示，岩石樣本裡發現的水，可能只是少部分特例，而非普遍現象——換言之，月球整體而言還是極度乾燥。

月球隕石坑存在水冰

到了2018年，美國的研究團隊詳細分析以前錢德拉揚1號上、由月球礦物測繪儀（Moon Mineralogy Mapper）得到的近紅外線反射光譜數據，確認月球南北極附近、隕石坑內的永久陰影區域（即太陽光永遠照射不到的區域）覆蓋著冰——這可算是月球表面存在冰的第一個直接證據。

月球南北極附近（左：北緯80度到90度；右：南緯80度到90度）冰的分布圖。綠色和青綠色的點代表含有冰的區域。圖中越黑的區域代表全年最高溫度越低；只有全年最高溫度低於絕對溫標110K區域的冰才會被標出。（圖片來源）

只不過，在這些隕石坑的永久陰影地帶，冰覆蓋的比例不但很低，還混雜了大量塵土，相當不尋常。數年前，科學家相繼在水星和穀神星（Ceres，位於火星和木星軌道之間主小行星帶的天體）的隕石坑永久陰影區域發現冰，而且豐富度和純度都比月球的冰高上許多——這樣的結果顯示，月球上的水，起源或演化可能跟水星和穀神星的水很不一樣；若能明白兩者差異的來由，將幫助我們更加理解月球的歷史。

月球的冰如何演變？

真極移示意圖：地球自轉軸位置改變，造成地理南北極的位置變化（圖片來源）

雖然科學家目前還未能完全解釋月球的水文，但有人猜測，早期月球曾擁有溫暖、潮濕的大氣，現在的水是當時的殘留，經過時間的流逝，逐漸擴散、消失，演變成現今的樣貌。另外一種可能，則是因為月球的真極移（true polar wander，即星球自轉軸的位置變化造成地理南北極極點的移動）現象，長久下來造成隕石坑內的陽光曝曬不均，所以永久陰影區內的冰會才分布零散、不規則。

還有個問題是，上述研究使用的近紅外線反射光譜法，只能告訴我們月球表面的狀況，無法顯示地面以下的冰層分布；所以，這些位於隕石坑永久陰影區域的冰，究竟有多少？只是表面薄薄一層呢？還是像冰山一樣，有大量的冰埋藏在地底深處？這都有待之後，利用其他觀測方法進行分析，或甚至直接獲取月球地底的土壤樣本，才會知道了。

紅外線天文觀測神器——平流層紅外線天文台

平流層紅外線天文台於觀測機艙門打開時的樣貌（圖片來源）

另一方面，要研究月球上的水，其實在地球也能進行，不一定要將探測器送往月球；美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和德國航空太空中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.，DLR）的聯合計畫，由1995年退役的大型商用飛機波音747SP改裝而成、主鏡口徑達2.7公尺的反射望遠鏡——平流層紅外線天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA），就對月表水分子的觀測做出重要貢獻。

一般而言，當星體發出的光線抵達地球時，會跟大氣層中的物質分子或粒子作用，造成很大一部份的電磁能量被吸收或反射；而地表上空無處不在的水氣，正好是很強的紅外線吸收氣體。因此，以紅外線為目標的天文觀測，非常難以在地面進行。

電磁波在不同波長（橫軸）對應的大氣不透明度（縱軸）。不透明度越高，代表該波長的電磁波越難穿透大氣層；紅外線的波長比可見光（圖中彩虹部分）的紅光更長，約為700nm（奈米）至1mm（毫米），極大一部份波段都難以穿透大氣層。波長極短的伽馬射線、X光和紫外線也很大程度被大氣層擋住，所以跟紅外線一樣，適合用太空望遠鏡觀測。容易穿透大氣層的可見光和部分波段的無線電波則可用地面望遠鏡觀測。（Image Credit: NASA）

基於上述原因，平流層紅外線天文台的最大特點，就是在夜間於13公里高空飛行，位處大氣層99.8%的水氣之上——這讓科學家不需要依賴太空望遠鏡，也能避免水氣干擾、進行靈敏的紅外線天文觀測；同時，平流層紅外線天文台的高機動性也是一大優點：它能夠飛往地球上的任意角落，全方位觀測夜空，不像傳統地面望遠鏡受到位置限制。

月球上的水不只冰

2018年8月31日晚上，時為夏威夷大學馬諾阿分校（University of Hawaiʻi at Mānoa）博士生的霍尼博爾（Casey I. Honniball），和研究團隊成員利用平流層紅外線天文台，對月亮南半球的中高緯度地區、克拉維斯環形山（Clavius）一帶，進行了十分鐘觀測，這也是平流層紅外線天文台第一次被用來瞄準月球。沒想到，這次半試驗性質的觀測，帶來出乎意料的驚喜。

天文台接收到強烈的紅外線訊號，波長六微米（百萬分之六公尺）。合理推測，這是月球表面的特定物質受陽光照射後，又將吸收到的輻射能量釋放出來所致。這個結果，作為霍尼博爾博士論文的一部分，於2020年10月發表在《自然•天文學》（Nature Astronomy）期刊。

究竟是什麼物質能夠放出波長六微米的紅外線呢？研究團隊表示：「除了水之外，我們並不知道任何月球上合理存在的其他物質，會展現出單一的六微米（波長）光譜特徵。」

過往，針對月球水的研究，很大一部份重心都放在隕石坑的永久陰影區——畢竟那裡溫度最低，也是最有可能存在水冰的地方。儘管也有跡象顯示，陽光照射的月面區域，似乎存在著水（H₂O）或羥基（OH），但一直沒有證據確認何者為是。這次的研究，不但證實以前探測器看到的訊號為水，也表明了，水不只存在月球隕石坑的永久陰影區，甚至可能以冰之外的形式，出現在陽光普照的月面大地。

研究團隊在不同位置觀察到的波長六微米紅外線訊號。紅線和紅字代表水含量最豐富之處的譜線和詳細位置；黑線和黑字代表水含量最貧乏之處的譜線和詳細位置。圖中可以看到，在波長（橫軸）六微米之處，紅外線放射相對強度（縱軸）都很高。（圖片來源）

月球的水知多少？

那麼，缺少了隕石坑的陰影保護，這些水又是如何得以保存、不會散失呢？研究團隊認為，水分子極可能是儲存在自然產生的火山玻璃中，或是被夾在岩石粉塵的微小結晶之間――兩者都能隔絕月球表面的極端溫度變化（約絕對溫標95K～390K），和接近真空的環境。

根據觀測結果，每立方公尺的月球土壤，含有數百公克的水——看起來不少，但其實只有地球撒哈拉沙漠土壤含水量的百分之一；研究團隊同時表示，這可能只是區域性的地質現象，而非整個月球的一般性結果。

接下來，還需要仔細在月球表面做大範圍觀測，研究水含量隨時間和緯度的變化——這將幫助我們明白這些水的生成和儲存，以及在月表的分布狀況。

未來展望

如果我們對月球的水資源，包括其型態、集中度、分布位置、豐富度等等瞭解越多，未來就越可能妥善運用它。這些水不但能夠作為未來月球前哨站的人員所需，甚至也能還原成氫和氧，製造可呼吸的氧氣，或者成為火箭燃料。幸運的話，或許我們不用到偏遠的隕石坑永久陰影區，冒險採取冰塊；只需要在陽光照耀之下挖掘土壤，就能得到足夠使用的水；從地球過去的補給也可以省下裝水的空間，以放置研究儀器。

無論如何，目前最重要的事，就是持續探索未知：除了遠距測量之外，也需要月球的登陸任務，以驗證許多研究推論。NASA現在的阿提米絲（Artemis）計畫，打算於2024年重返月球，屆時也預期會產生第一位登陸月球的女性太空人。一切順利的話，2028年將會有月表的長期任務；而我們在月球學習到的經驗，都將作為宏偉的下一步——人類登陸火星的養分。

參考資料

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Leonard David (2018/08/21), “Beyond the Shadow of a Doubt, Water Ice Exists on the Moon”, Scientific American.

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C. I. Honniball et al. (2021), “Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA”, Nature Astronomy 5, 121.

NASA (2020/10/26), “NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon”.

Humboldt State University, “Atmospheric Absorption & Transmission”, Introduction to Remote Sensing. 

Simon J. Lock and Sarah T. Stewart (2019/07/01)，〈浴火而生－改寫月球起源〉，科學人。

https://en.wikipedia.org/wiki/Moon_Mineralogy_Mapper

https://en.wikipedia.org/wiki/Polar_wander

https://en.wikipedia.org/wiki/Stratospheric_Observatory_for_Infrared_Astronomy