“十多年前，航天器探测到月球日面可能存在水，这在2020年被NASA的红外天文平流层天文台(SOFIA)证实，”NASA喷气推进实验室(JPL)的科学家Björn Davidson指出，“这些观察结果一开始是违反直觉的：水不应该在这样恶劣的环境中生存。这对我们对月球表面的理解提出了挑战，并还带来了一些有趣的问题，如水冰等挥发物是如何在没有空气的物体上生存的。”
在一项新研究中，Davidson及研究论文共同作者、JPL研究和仪器科学家Sona Hosseini认为，月球表面的“粗糙”造成的阴影为水冰提供了避难所，这使其能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如何在这个谜题中扮演重要角色。
聚水和霜冻
许多计算机模型简化了月球表面从而使其变得平坦且无特征。因此，人们通常都会认为，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。
然而在月球永久阴影区域之外，水又是如何被探测到的呢？一种解释是，水分子可能被困在岩石或由陨石撞击产生的令人难以置信的热量和压力产生的冲击物质中。正如这一假设所表明的，水在这些材料中融合，即使被太阳加热也能留在表面，同时还能产生SOFIA能探测到的信号。
但这个想法有一个问题是，对月球表面的观测表明，正午之前（阳光最充足的时候），月球表面的水量会减少，而下午的水量会增加。这表明水可能在整个月球日从一个地方转移到了另一个地方，如果它们被困在月球岩石或撞击物质中，这样的假设是不成立的。
为此，Davidson和Hosseini修改了计算机模型，他们将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的区域，即使在接近中午的时候也会产生许多阴影区域。他们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。
由于月球表面没有厚厚的大气层来散发热量，极冷阴影区域的温度可能会骤降至零下350华氏度（零下210摄氏度），而暴露在太阳下的高温区域其温度可能高达240华氏度（120摄氏度）。
当太阳沿着月球的轨道运行时，月球表面的霜可能会在这些寒冷的阴影区域积聚，然后慢慢地暴露在阳光下并循环进入月球的外逸层。然后水分子重新冻结在表面、在其他寒冷阴暗的地方再次积累成霜。
Davidson说道：“霜冻比困水更容易移动。因此，这个模型提供了一种新机制，它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。”
更深入的观察
虽然这不是第一个在计算月球表面温度时考虑表面粗糙度的研究，但之前的工作没有考虑到阴影会如何影响水分子在白天以霜的形式留在月球表面的能力。这项新研究非常重要，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。
Hosseini说道：“了解水是一种资源，对NASA和未来人类月球探索的商业努力至关重要。如果在月球阳光充足的地区有水以霜的形式存在，那么未来的探险者可能会把它作为燃料和饮用水的来源。但首先，我们需要弄清楚外逸层和地表是如何相互作用的以及它们在循环中扮演什么角色。”
为了验证这一理论，Hosseini正带领一个团队开发了超小型传感器来测量水冰发出的微弱信号。 Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer (HOLMS) 正在被开发用于小型固定着陆器或自主漫游者–如JPL的Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot (A-PUFFER)，它可能会在未来被送往月球直接测量羟基。
羟基是水的分子表亲，它可以作为外逸层中可能存在多少水的指标。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，同时还可以显示水是如何从一个地方转移到另一个地方的。但时间是进行这些测量的关键。
Hosseini指出：“几个国家和私营企业目前对月球的探索表明，在不久的将来，月球环境将发生重大的人为变化。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，尤其是在月球原始外逸层中循环的水。因此，超紧凑、高灵敏度仪器的先进发展至关重要和迫在眉睫。”
研究人员指出，这项新研究可以帮助我们更好地理解阴影在月球以外的水、冰和气体分子的积累中所起的作用。
相关研究报告于2021年8月2日发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。
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