據外媒報導，科學家們相信，在月球兩極永久遮蔽的環形山內部可以找到水冰–換句話說，就是那些從未接受過陽光的環形山。 但觀測顯示，月球表面的大部分地區也存在水冰，即使是在白天。 這是一個謎：以前的計算機模型表明，在月球夜晚形成的水冰應該會在太陽爬上頭頂時迅速燃燒掉。

“十多年前，航太器探測到月球日面可能存在水，這在2020年被NASA的紅外天文平流層天文臺（SOFIA）證實，”NASA噴氣推進實驗室（JPL）的科學家Björn Davidson指出，”這些觀察結果一開始是違反直覺的：水不應該在這樣惡劣的環境中生存。 這對我們對月球表面的理解提出了挑戰，並還帶來了一些有趣的問題，如水冰等揮發物是如何在沒有空氣的物體上生存的。 ”

在一項新研究中，Davidson及研究論文共同作者、JPL研究和儀器科學家Sona Hosseini認為，月球表面的”粗糙”造成的陰影為水冰提供了避難所，這使其能在遠離月球兩極的地方形成表面霜。 他們還解釋了月球的外逸層如何在這個謎題中扮演重要角色。

聚水和霜凍

許多計算機模型簡化了月球表面從而使其變得平坦且無特徵。 因此，人們通常都會認為，遠離兩極的月球表面在月球白天會均勻升溫，這就使得水冰不可能長期留在月球表面。

然而在月球永久陰影區域之外，水又是如何被探測到的呢？ 一種解釋是，水分子可能被困在岩石或由隕石撞擊產生的令人難以置信的熱量和壓力產生的衝擊物質中。 正如這一假設所表明的，水在這些材料中融合，即使被太陽加熱也能留在表面，同時還能產生SOFIA能探測到的信號。

但這個想法有一個問題是，對月球表面的觀測表明，正午之前（陽光最充足的時候），月球表面的水量會減少，而下午的水量會增加。 這表明水可能在整個月球日從一個地方轉移到了另一個地方，如果它們被困在月球岩石或撞擊物質中，這樣的假設是不成立的。

為此，Davidson和Hosseini修改了計算機模型，他們將1969年至1972年阿波羅任務的圖像中明顯的表面粗糙度考慮在內。 這些圖像顯示，月球表面布滿了巨石和坑坑窪窪的區域，即使在接近中午的時候也會產生許多陰影區域。 他們通過將這種表面粗糙度納入他們的計算機模型解釋了在小陰影中霜是如何形成的以及為什麼水的分佈在一天中會發生變化。

由於月球表面沒有厚厚的大氣層來散發熱量，極冷陰影區域的溫度可能會驟降至零下350華氏度（零下210攝氏度），而暴露在太陽下的高溫區域其溫度可能高達240華氏度（120攝氏度）。

當太陽沿著月球的軌道運行時，月球表面的霜可能會在這些寒冷的陰影區域積聚，然後慢慢地暴露在陽光下並迴圈進入月球的外逸層。 然後水分子重新凍結在表面、在其他寒冷陰暗的地方再次積累成霜。

Davidson說道：「霜凍比困水更容易移動。 因此，這個模型提供了一種新機制，它解釋了水是如何在月球表面和稀薄的月球大氣之間流動的。 ”

更深入的觀察

雖然這不是第一個在計算月球表面溫度時考慮表面粗糙度的研究，但之前的工作沒有考慮到陰影會如何影響水分子在白天以霜的形式留在月球表面的能力。 這項新研究非常重要，因為它有助於我們更好地瞭解月球的水是如何被釋放到月球的外逸層中以及如何從外逸層中移除。

Hosseini說道：「瞭解水是一種資源，對NASA和未來人類月球探索的商業努力至關重要。 如果在月球陽光充足的地區有水以霜的形式存在，那麼未來的探險者可能會把它作為燃料和飲用水的來源。 但首先，我們需要弄清楚外逸層和地表是如何相互作用的以及它們在迴圈中扮演什麼角色。 ”

為了驗證這一理論，Hosseini正帶領一個團隊開發了超小型感測器來測量水冰發出的微弱信號。 Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer （HOLMS） 正在被開發用於小型固定著陸器或自主漫遊者–如JPL的Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot （A-PUFFER），它可能會在未來被送往月球直接測量羥基。

羥基是水的分子表親，它可以作為外逸層中可能存在多少水的指標。 水和羥基都可以由隕石撞擊和太陽風粒子撞擊月球表面產生，所以測量這些分子在月球外逸層的存在可以揭示有多少水被產生，同時還可以顯示水是如何從一個地方轉移到另一個地方的。 但時間是進行這些測量的關鍵。

Hosseini指出：「幾個國家和私營企業目前對月球的探索表明，在不久的將來，月球環境將發生重大的人為變化。 如果這種趨勢繼續下去，我們將失去瞭解月球自然環境的機會，尤其是在月球原始外逸層中迴圈的水。 因此，超緊湊、高靈敏度儀器的先進發展至關重要和迫在眉睫。 ”

研究人員指出，這項新研究可以幫助我們更好地理解陰影在月球以外的水、冰和氣體分子的積累中所起的作用。

相關研究報告於2021年8月2日發表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。