月球有沒有水 ?

mca

(這篇較長)

"月球有水" 這個問題一直反反覆覆。

1994 年美國探月衛星 Clementine 以電波射向月南極，反射波由地球接收，研究後說月球可能有水。本來，月球無水是普遍的印象，但南極某些月坑相當深，坑底長期沒有陽光，溫度冷至零下二百度，說不定那裡積存彗星撞月時釋放的水冰。


      


1998 年，另一艘美國探月衛星 Lunar Prospector 以中子譜儀探測月球兩極的 "熱中子"，熱中子是高能宇宙射線撞擊月面時的副產品。月面受宇宙射線撞擊後會釋放高能中子 (能量 500 keV ~ 8 MeV) 和其他粒子，如果高能中子再碰撞其他岩石，它會損失能量變成 "超熱中子"，超熱是物理學語，形容中子能量約在 0.3 eV 至 500 kev 之間，並非指常識的熱。如果高能中子碰撞與其質量相若的氫原子，它會損失更多能量成為 "熱中子" (能量 < 0.3 eV)。月面上熱中子的多寡往往反影該地的氫含量，在 "有氫 = 有水" 的聯想下，月球有水的傳聞自然眾說紛紜了。


        


到了2005 年，一批科學家在半信半疑下用阿雷西博巨型雷達發射 13 cm 電波到月南極，反射波由地面另一巨型天線接收及分析，結果找不到水。


        


2008 年日本月亮女神號 (Selene) 亦報告月南極無水。


        

  
2009 年 9 月，印度月神一號 (Chandrayaan-1) 携帶美國的月礦譜儀 (Moon Mineralogy Mapper) 宣稱找到月面有微量的 OH 和 H2O 分子，兩種分子都是太陽風的氫與月壤的氧合成而來的，不過含量只是 100 ppm 級，不算月球真正有水。其實在此之前，另外兩艘美國太空船 Cassini (往土星途中) 和 Deep Impact (往彗星途中) 也曾察覺月面有微量的氫氧分子。


        


2009 年 10 月，美國 LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Satellite) 撞擊月球南極區的 Cabeus 環形山，同時各大天文台觀測擊起的月塵成份，但仍未能肯定 Cabeus 有水。


        


2010年 7 月，印度月神一號 (Chandrayaan-1) 携帶美國的小雷達 Mini-SAR 宣稱在月北極發現水冰，這是最新的觀測。


        


基本上，雷達應用電磁波的偏振性 (polarization) 來找尋水冰。偏振性有三種，其中一種叫圓偏振 --- 表示電磁波的兩個電場分量正交成直角但振幅一樣，按照交角的左旋或右旋，圓偏振又分為左圓偏振 (left-circular polarization) 或 右圓偏振 (left-circular polarization) 兩種模式，動畫見維基百科網頁  http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization 或如下


        左圓偏振：
        

        右圓偏振：
        


Mini-SAR 的雷達發射波屬左圓偏振，從月球表面反射回來的電波則有兩個頻道 --- 左圓偏振頻道及右圓偏振頻道，通常月球表面都把入射的電波特性逆轉，因此反射波頻道的右圓偏振成份居多，左圓偏振成份較少，反射波頻道的左圓偏振 對 右圖偏振的成份比例稱為 CPR (circular polarization ratio)，它象徵月面的崎嶇程度。典型月面反射波的 CPR 都低於 1.0，但如果出現異常高 CPR 的話，該地可能被平滑的物質遮蓋。這 "平滑的物質" 究竟是甚麼呢 ?  它可能是水冰或非水物質，要小心分析才不會混淆。

NASA 科學家認為普通的月面撞擊坑，坑內外的表面崎嶇程度 (CPR) 接近，如果坑內有水冰的話，坑內的 CPR 應大過坑外。比較坑內坑外 CPR 之後，NASA 在月球北極找到幾十個被疑有水冰的月坑，見圖七的綠圈位置，它們的坑內 CPR 都偏高，紅圈月坑的 CPR 也是偏高的，但分析後認為不是水冰所致。

圖八是其中一個被疑有水冰的北極月坑，它的坑內 CPR 明顯地較坑外大，估計坑內有水冰，水冰厚度不少於半米。


        


總結：  太陽風引致月面有微量氫氧分子 (OH 及 H2O)，這點已有共識了。到目前為止，美國 NASA 的幾次公佈都傾向認為月球兩極有水冰，但仍未達至百分百肯定，歐洲、日本、蘇俄和中國方面則未見任何發現。

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参考:
Lunar Prospector – Neutron Spectrometer  http://lunar.arc.nasa.gov/results/neutron.htm
Cornell research found no lunar water  http://www.news.cornell.edu/stories/oct06/campbell.lunarice.html
Water on the Moon, Sept 2009  http://www.universetoday.com/41212/yes-theres-water-on-the-moon/
Moon Mineralogy Mapper, October 2009  http://m3.jpl.nasa.gov/NEWS/
LCROSS Impact  http://lcross.arc.nasa.gov/
Ice Deposits at Moon's North Pole http://www.nasa.gov/mission_page ... _like_deposits.html
Review of the lunar polar ice controversy, by Paul Spudis  http://www.thespacereview.com/article/740/1
S&T Magazine, February 2010, Special Moon Issue
Lunar Water (Wikipedia)  http://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_water