如何在月球表面製造水

第11天的盈凸月（Waxing gibbous，即我們看到的月亮一半以上是明亮的且明亮的面積還在增加的狀態）。

Credit: Ernie Wright / NASA

NASA的科學家們發現，當被稱為太陽風的帶電粒子流以每秒450公里（或接近每小時160萬公里）的速度照射到月球時，它們會使月球表面富含可以製造水的成分。

科學家用計算機程序模擬了太陽風急降月球表面時的化學反應。他們發現，當太陽將質子流向月球時，這些粒子與月球表面的電子相互作用，形成氫（H）原子。然後這些原子在表面遷移並鎖定二氧化硅（SiO2）中大量的氧（O）原子和構成月球土壤或風化層的其他含氧分子。氫和氧一起構成羥基（OH），即水（H2O）的成分。

「我們認為水是種特殊又神奇的化合物，」NASA戈達德太空飛行中心（位於馬里蘭州格林貝爾特）的等離子體物理學家William M. Farrell（他幫助開發了計算機模擬）說，「但令人驚奇的是：每塊岩石都有可能製造水，特別是在被太陽風輻射後。」

模擬研究的帶頭人、戈達德的物理學家Orenthal James Tucker表示，了解月球上有多少水（或其化學成分）對於NASA派遣人類登月並建立長期存在的目標至關重要。

「我們正試圖了解有價值資源的運輸動態，比如月球表面和散逸層（或非常稀薄的大氣）的氫，這樣我們就可以知道去哪裡得到這些資源，」Tucker說道，他最近在JGR（地球物理研究期刊，Journal of Geophysical Research）行星期刊中講述了模擬結果。

Credits: NASA/JoAnna Wendel

下載月球上太陽風繪圖的PDF（8.68 MB）

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/moon-solar-wind.pdf

一些航天器使用紅外儀器測量月球發出的光以識別其表面的化學成分。其中包括NASA的深度撞擊號（Deep Impact），它在前往哈特雷2號彗星（103P/Hartley 2）的途中與地月系統有多次近距離接觸；NASA的卡西尼號（Cassini）在飛往土星的途中經過了月球；印度的月船1號（Chandrayaan-1）十年前繞月球飛行。 這些航天器都發現了的水或其成分（氫或羥基）的證據。

但這些原子和化合物是如何在月球上形成的仍然是個未解決的問題。流星撞擊可能會引發必要的化學反應，但許多科學家認為太陽風是主要驅動因素。

太陽釋放出恆定的粒子和磁場稱為太陽風（solar wind）。太陽風在太陽系中以粒子和輻射肆虐其他天體，除非受到大氣或/和磁場的阻礙，否則它們可以一直流向行星表面。以上是這些太陽粒子與一些行星和其他天體的相互作用。

下載太陽風信息圖的PDF（3.92 MB）

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/solar_wind_infographic_final.pdf

Credits: NASA』s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

Tucker的模擬跟蹤了月球上氫原子的生命周期，支持太陽風理論。

「從以前的研究中，我們知道太陽風中有多少氫，我們也知道在月球非常薄的大氣中有多少氫，我們測量了表面的羥基含量，」Tucker說，「我們現在所做的就是弄清楚這三種氫的庫存是如何交織在一起的。」

發現氫原子在月球上的活動有助於解決為什麼航天器發現月球不同區域的氫含量存在波動。研究小組得出結論，較溫暖的地區積聚較少的氫，比如月球的赤道，因為沉積在那裡的氫會被太陽激發，然後迅速從地表跑到散逸層。相反，更多的氫積聚在極點附近較冷的表面，因為那裡太陽輻射較少。

總的來說，Tucker的模擬顯示，隨著太陽風不斷地轟擊月球的表面，它打破了硅、鐵、氧原子（構成月球土壤的主要成分）之間的化學鍵。這使得氧原子有空缺，當氫原子流過月球的表面時，它們會暫時被困在一起（在寒冷的地區比在溫暖的地方更長）。它們漂浮一段時間之後會擴散到月球的大氣中，並最終進入太空。 「整個過程就像一家化工廠，」Farrell說道。

Farrell表示，關鍵結果是，每個暴露在外的二氧化硅體，從月亮到塵埃顆粒，都有可能產生羥基，從而成為水的化工廠。

戈達德物理學家Rosemary Margaret Killen和（位於馬里蘭州巴爾的摩市）約翰霍普金斯大學的行星科學家Dana M. Hurley為模擬研究做出了貢獻，該研究由NASA太陽系探索研究虛擬研究所（Solar System Exploration Research Virtual Institute）資助。

參考：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-scientists-show-how-ingredients-for-water-could-be-made-on-surface-of-moon-a-chemical-factory

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