月球水冰留存与分布研究取得新进展
发表日期:2023-04-25来源：
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水是生命之源，“找水”是各国月球探测的主要科学目标之一。由于月表真空度高、引力束缚小，长期以来月球一直被认为是“无水”星体。但最新的月球遥感探测等证实，月球南北极永久阴影区内及阴影区外的边缘地带有水存在，SOFIA探测器甚至在月球阳光照射区发现了水分子信号，其分布面积远大于过去猜测的月球南北极低温永久阴影区内。已有研究认为月球表面水很可能是以水冰和月壤混合物（俗称脏冰）的形式存在，月壤可能是阻碍月表水分子散逸，导致月表水冰分布范围变大的原因，但月壤层影响月表水冰分布的内在机理至今仍存在较多盲区。
目前，通常采用描述等温长直孔中气体扩散过程的克努森扩散系数近似计算月壤层中水分散失量，并未考虑孔隙壁吸附对水分子扩散过程的影响，也没有考虑月壤层中客观存在的温度梯度。针对上述研究中的不足，中国科学院西北生态环境资源研究院（以下简称西北研究院）温智研究团队联合兰州空间技术物理研究所、以色列特拉维夫大学，应用分子动力学理论研究了水分子在月壤孔隙中的迁移过程（如图1），将水分子在月壤孔隙壁吸附对其迁移过程的影响引入了扩散系数计算方程，建立了适用于温度不均匀月壤层中水分子迁移的克努森扩散系数，定量分析了月壤孔隙特征和月壤水分吸附特征对月壤中水分子散逸过程和水冰留存的影响。基于新模型的计算结果表明，月壤吸附热、孔隙特征对水分散逸有重要的影响（图2），这可能导致潜在水冰留存区域由传统认为的永久阴影区扩展至更广区域。此外，本研究发现最可能留存水冰的区域是永久阴影区内由高吸附热月壤覆盖的区域（图3）。本研究创新解答了月壤的水分吸附性质对水冰留存的贡献，理论解释了月球非永久阴影区出现水分子信号的现象，可为月球水冰探测提供理论指导。
相关研究成果以“The Mechanism for the Barrier of Lunar Regolith on the Migration of Water Molecules”为题发表于 Journal of Geophysical Research: Planets。博士生李亚胜为第一作者，西北研究院温智研究员为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金41971087，41771073和41871061，中国科学院重点研究项目ZDRW-ZS-2020-1，国家自然科学基金委国际合作项目42011530084，以及真空技术与物理重点实验室基金6142207200201共同资助。
全文链接：https://doi.org/10.1029/2022JE007254
图1 水分子在月壤孔隙中的迁移示意图 （a）孔隙中水分子散逸方式示意图 （b）月壤层(z`0)和真空环境中(z0)水分子迁移路径对比（c）孔隙内壁水分子出射方向随机性对其迁移路径影响的表征示意图
图2 月壤吸附阻碍系数和碰撞阻碍系数对比
图3 月壤吸附阻碍系数随温度、吸附热的变化
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