月表阴影区的霜冻之谜

　　使是在严酷的月球白天，月球粗糙的表面所投射的阴影区也会让水冰积聚，创造出一系列小型＂冷点＂。
　　正如1972年阿波罗17号（Apollo 17）任务的这张照片所示，月球上满是陨石坑和岩石，因此形成的表面＂粗糙度＂会在阳光下投射出阴影。即使是在白天，这些不受阳光照射的阴影也可能使水冰积聚成霜。下面的图片突出强调了这张图中方框内的细节。
　　图片来源：NASA
　　科学家们相信，在月球两极的永久阴影陨石坑内，也就是永远不会受到太阳光照射的凹陷区域，我们会发现水冰的存在。但观测表明，即使是在月球的白天，月球表面的大部分地区也是存在水冰的。这带来了一个难以解释的谜团：此前的计算机模型表明，在月球夜间形成的任何水冰，都应该在太阳升到该区域上空时迅速融化蒸发。
　　＂早在十多年前，航天器就探测到月球表面可能有水的存在，NASA的索菲亚平流层红外天文台（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）在 2020 年证实了这一点，＂美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的科学家比约恩·戴维松（Björn Davidsson）说道，＂起初，这些观测结果是反直觉的：在那样恶劣的环境中，水是不应该存在的。这一结果让我们重新审视此前对月球表面的理解，并且还提出了一些有趣的问题，比如水冰等挥发物是如何在没有空气的天体上存在的。＂
　　在一项新研究中，戴维松和共同作者、喷气推进实验室的研究与仪器科学家索娜·侯赛尼（Sona Hosseini）认为，月球表面的＂粗糙度＂（roughness）所产生的阴影为水冰提供了庇护，让它在远离月球两极的地方也能够结霜。他们还解释了在这个谜团中，月球的外逸层（exosphere，环绕在月球周围的极为稀薄的气体层）可能发挥了怎样的重要作用。
　　这张插图放大了上一张照片方框中所指示的区域细节，显示了阴影区域如何能使水冰在阳光照射的月球表面也能安然存在。当太阳在正上方移动时，阴影也会随之移动，而逐渐暴露在阴影之外的霜能够存在足够长的时间，让航天器检测到。
　　图片来源：NASA/加州理工-喷气推进实验室
　　被困住的水与流动性的霜
　　现有的很多计算机模型都对月球表面进行了简化，让它变得一马平川、凹凸全无。因此，人们通常认为在月球的白天里，远离两极的月球表面温度会均匀地升高，水冰也就不可能长时间驻留在阳光照射的月球表面上。
　　那么在月球的永久阴影区域之外，为什么能检测到水的存在呢？对探测结果的其中一种解释是，水分子可能被困在岩石或撞击玻璃（impact glass）中，撞击玻璃是在陨石撞击所产生的极端高温和巨大压力下形成的玻璃质物质。与岩石或撞击玻璃的结合，让水分子即使在直面阳光的照射时也能存在于月球表面，同时被＂索菲亚＂探测到，这也正是此前的假设所推测的。
　　但这个推论仍然存在一个问题，那就是对月球表面的观测表明，在月球中午之前（即阳光照射量达到顶峰时），表面的水量是逐渐减少的，但在下午又会逐渐增加，说明月球表面的水可能在是在一天内从一个位置移动到了另一个位置，而如果它们被束缚在月球岩石或者撞击玻璃中，这就不可能成立。
　　戴维松和侯赛尼因此对他们的计算机模型进行了优化，将1969年至1972年阿波罗（Apollo）任务图像中明显的表面粗糙度也作为考虑因素，这些图像显示，月球表面布满巨型岩石、凹陷坑洼不断，甚至在接近中午的时候也会存在许多阴影区域。将这种表面粗糙度考虑到他们的计算机模型中后，戴维松和侯赛尼解释了小阴影区域中形成霜的可能性，以及一天中水分子分布发生变化的原因。
　　由于缺乏足够厚的大气层，月球表面的热量难以维持和分散，那些温度可能因此骤降至负350华氏度（负210摄氏度）的极冷阴影区域，也可以与暴露在太阳光下的极热区域紧紧相邻，而后者的温度往往会高达240华氏度（120摄氏度）。
　　当太阳划过月球上空，这些温度较低的阴影区域中积聚的霜会慢慢地逐步地暴露在阳光下，然后循环进入月球的外逸层，外逸层中的水分子又会重新在月球表面冻结，在其他温度较低的阴影区域重新积聚成霜。
　　＂相比被困在岩石或撞击玻璃中的水，霜的流动性要高得多，＂戴维松说，＂因此，我们的模型提供了一种新的机制，能够解释水是如何在月球表面和稀薄的月球大气之间移动循环的。＂
　　有一种假设是：水分子被束缚在月球物质中（如图中左侧所示）。但一项新研究认为：在寒冷的阴影区域，水分子以霜的形式存在于月球表面，且会借由稀薄的月球外逸层移动到其他温度较低的阴影区域（如图中右侧所示）。
　　图片来源：NASA/加州理工-喷气推进实验室
　　进一步探索
　　虽然说这不是第一项计算月球表面温度时考虑月球表面粗糙度的研究，但之前的研究并没有考虑阴影区域是如何影响月球白天水分子作为霜留在表面的能力。这项新研究很重要，因为它可以帮助我们更好地了解月球表面的水是如何被释放到月球外逸层中，又是如何离开月球外逸层中的。
　　＂将水作为一种月球资源进行研究，对于NASA和未来的商业人类月球探索至关重要，＂侯赛尼说道，＂如果在月球的阳光照射区域水能以霜的形式存在，未来的探索者就可能将它作为燃料和饮用水资源。但首先，我们须要弄清楚月球外逸层和表面是如何相互作用的，这两者在循环中又扮演了什么样的角色。＂
　　为了验证这一理论，侯赛尼正带领一个研究团队开发超微型传感器，用于测量来自水冰的微弱信号。这个正在开发的传感器名为＂外差羟基月球微型光谱仪＂（Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer，HOLMS），将用在小型的固定月球着陆器或自主月球漫游车上，例如喷气推进实验室的自动弹出式平折探索机器人（Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot，A-PUFFER），在未来，HOLMS或许可以直接测量月球表面的羟基（-OH）。
　　羟基是水分子的＂表亲＂，可以当作外逸层中可能存在的水含量指标。水和羟基都可以通过陨石撞击和太阳风粒子撞击月球表面产生，因此，测量月球外逸层中这些分子的存在可以揭示上述过程所产生的水的量，同时还能够显示水分子是如何从一个地方移动到另一个地方的。而进行这些测量的关键，是时间。
　　＂目前的几个国家和私营公司的月球探索表明，在不久的将来，月球环境将因人为因素而发生重大变化，＂侯赛尼说，＂如果这种趋势继续下去，我们将失去了解月球自然环境的机会，尤其是在月球原始大气层中循环的水。因此，结构极为紧凑、高灵敏度仪器的开发意义重大且时间紧迫。＂
　　研究人员指出，这项新研究可以帮助我们更好地了解，在月球之外、其他星球上，阴影区对水冰和气体分子积累的影响，例如在火星上，甚至在土星环中的小型天体上。
　　这项研究的标题为《月球水解吸模型中月球表面粗糙度的影响》（＂Implications of surface roughness in models of water desorption on the Moon＂），于2021年8月2日发表在《英国皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。
　　参考来源：
　　[1]https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-study-highlights-importance-of-surface-shadows-in-moon-water-puzzle
　　[2]https://svs.gsfc.nasa.gov/4893