月球极地挥发物的探索、采样与解释

学术背景

月球极地的永久阴影区（Permanently Shadowed Regions, PSRs）以及其他表面挥发物沉积是未来人类重返月球的重要采样目标。这些挥发物不仅具有极高的科学价值，还可能改变人类在月球上持续活动的策略。然而，采样这些极低温的沉积物、将其带回地球并解释其挥发物记录，是Artemis计划面临的重大挑战。月球极地的挥发物可能包含多种物种，其稳定同位素特征可以揭示它们的来源和形成过程。例如，氢同位素（δD）可以用来识别独特的轻太阳风成分。由于这些挥发物沉积的温度极低，采样、保存、管理和分析这些样品的难度远高于其他样本返回任务。在低温条件下收集和保存样品可以显著提高科学产出，但这也对技术提出了更高的要求，并增加了运输过程中的风险。

论文来源

本文由Charles K. Shearer、Zachary D. Sharp和Julie Stopar撰写，分别来自University of New Mexico的Institute of Meteoritics、Center of Stable Isotopes以及Lunar and Planetary Institute。论文于2024年12月16日发表在《PNAS》期刊上，题为“Exploring, sampling, and interpreting lunar volatiles in polar cold traps”。

研究流程与结果

1. 月球表面挥发物的捕获机制

月球极地是独特的环境，地形和太阳角度共同创造了极低温的区域，有利于挥发物在近地表的长期保留以及亚稳态表面沉积的形成。Artemis和南极表面任务的关键科学目标包括研究挥发物的位置、组成、年龄、来源、捕获机制、损失机制、沉积和损失的循环、分布和体积，以及发生在含有挥发物的月壤和近地表位置的任何相互作用和化学过程。这些研究可能通过原位表面测量以及最终的样本返回来实现。

2. 永久阴影区（PSRs）

PSRs是没有直接太阳照射的区域，因此表面辐射温度非常低，某些地方甚至低于40K。PSR的位置高度依赖于地形，特别是在月球两极的陨石坑内。低温使得多种挥发物（如水冰和二氧化碳冰）能够在相对较长的时间尺度内被保留。非极地PSR的温度较高，无法长期保留挥发物。

3. 暂时阴影区（TSRs）

TSRs是暂时或季节性接收部分太阳照射的区域。与PSRs类似，TSRs可以发生在极地以外的区域，如夜侧或巨石附近。然而，在极地，持续的低太阳高度角导致许多阴影区域。这些阴影的位置随时间变化，只有少数区域在一年中接收超过50%的照射。

4. 冰稳定区（ISRs）

ISR是温度足够低以长期保留特定挥发物相的区域。在月球上，ISR是温度低于100K的区域，足以在百万年时间尺度上保留水冰。ISR可能发生在月球表面或月壤深处。目前，LCROSS撞击是我们对PSR挥发物含量的最直接测量，但PSR和ISR的挥发物含量可能高度可变。

5. 挥发物的年龄

挥发物沉积的形成历史和年龄与许多科学目标相关，特别是关于太阳系中水的来源。研究表明，极地ISR和其中的冰的持久性随时间变化，某些区域可能在次表层保留较大的沉积。古老的冰需要被撞击喷出物或月壤覆盖以保护其免受温度升高和光照的影响，否则会通过撞击、空间风化和持续轰击等机制损失和破坏。

6. 挥发物与月壤的相互作用

尽管在极地部分区域和PSR中提出了表面水冰的存在，并且检测到了全球单层亚稳态水（特别是OH），但水冰如果被至少一层薄月壤覆盖以保护和绝缘，则被认为更加稳定和持久。表面和次表层之间的温度变化或差异可以驱动多种过程，包括捕获和冷阱、扩散和化学反应，或化学过程如质子损失和氧化。表面挥发物还受到辐射、太阳风流入、光照和温度变化的影响。

7. 月球挥发物的来源与稳定同位素特征

月球上的这些环境可能记录了挥发物对月球表面的贡献。水和其它挥发物的同位素组成提供了其来源和时间指纹。为了讨论月球上的水来源和丰度，有必要定义月球上的水。分子水（冰的形式）可能存在于极地的PSR中，来源于彗星、含水球粒陨石或太阳风，也可能作为吸附在矿物表面的H2O。其他“所谓”的水以结构或痕量羟基（OH−）存在于矿物中，如磷灰石、长石或玻璃中，或作为H+或OH−存在于月壤中，这是太阳风轰击的结果。

8. Artemis计划中的挥发物采集策略

在Artemis计划的发展过程中，采集、保存、管理和分配富含挥发物的冷样本将逐步演变。Artemis III可能具有与阿波罗计划类似的挥发物采样能力。在阿波罗计划中，特殊样本通过多种样本容器与船员舱和地球大气隔离。这些容器在月球表面使用铟密封（90%铟，10%银）压入不锈钢刀口进行密封。这些密封的效果各不相同。对于Artemis III任务，放置在密封容器中的样本将包含预期更高比例的挥发物。这对月壤层序、挥发物与月壤的相互作用以及船员安全具有深远的影响。

结论

与PSR、TSR和ISR相关的富含挥发物的月壤为未来人类月球任务（Artemis）提供了重要的采样目标。轨道、表面和实验室返回样本的观测将回答许多关于月球挥发物储层性质及其来源的基本科学问题。这些冷阱中捕获的各种挥发物成分的稳定同位素提供了其来源的指纹。然而，获取这些信息存在许多质量、技术和安全问题。一方面，在大型PSR的极端条件下采集、保存、管理和分析样本是一个巨大的技术挑战。另一方面，将样本返回到环境条件是对探索这些环境的基本科学的挑战。有一些潜在的解决方案可以增强从这些样本中获取的信息。使用在国际空间站（ISS）活动中已经记录的技术，如果样本选择地点被战略性地确定，可能会保留重要的科学。仅仅将样本保持在略低于H2O的冰点（在一个大气压下）会减少从返回的Artemis样本中获取的潜在信息（科学价值）。

研究亮点

1. 重要发现：月球极地的挥发物沉积具有极高的科学价值，可能改变人类在月球上持续活动的策略。
2. 研究方法的创新：本文详细探讨了在极低温条件下采集、保存和分析月球挥发物的技术挑战和解决方案。
3. 研究对象的特殊性：月球极地的永久阴影区和冰稳定区是独特的环境，为研究太阳系中水的来源和演化提供了宝贵的机会。

研究的意义与价值

本研究不仅为Artemis计划提供了科学依据，还为未来月球探测任务中的挥发物采样和保存提供了技术指导。通过对月球极地挥发物的深入研究，我们可以更好地理解太阳系中水的来源和演化，为人类在月球上的持续活动提供支持。