月球上到底有没有水？有！这两天有一条重要的科研新闻——中国科学家在嫦娥五号带回的月壤样本中发现了分子水（molecular water）。



富含水分子和铵的未知矿物晶体ULM-1在月球形成的效果图。图源：中国科学院物理研究所

分子水是什么？就是中学化学课本里的H₂O，这也是日常生活中喝的水的分子式（molecular formula）。

之前在月球发现的水≠水分子

有人说，我们不是早就发现了月球上有水吗？

没错，但是，中国科学院物理研究所副研究员金士锋给我们解释道：“地质学上的水，和我们日常生活中的水，有很大区别。地质学（geology）把OH和H₂O都认为是水，例如，如果发现了NaOH成分，在地质学中也认为含水。”

而且，在月球上发现水分为遥感（remote sensing）发现和地面样品发现两种。

遥感上，近年来，部分设备能测到极区的永久阴影区和部分光照区有H₂O的信号；在返回的月壤里，之前用最好的设备，也只能看到微量的H信号，通常认为是羟基（OH），含量在百万分之几的量级，也就是一吨里有几克到100克的样子。之前说的月壤中的水，基本是这种微量的羟基“水”，不是我们日常生活中的水分子。

而分子水，也就是H₂O，可是我们日常生活中的水。

“月球表面由于温度高和真空环境，无法存在液态水，所以这次发现的是结晶水。也就是水分子和其他离子结合成了晶体。”金老师说。

“On the lunar surface, due to high temperatures and the vacuum environment, liquid water cannot exist. So, what has been discovered this time is crystalline water. This means that water molecules have combined with other ions to form crystals.”

月壤样品中发现的第一种富含水分子的矿物图片放大一千倍的效果。图源：央视新闻

结晶水（crystalline water）在地球上较为常见，例如常见的胆矾（CuSO₄·5H₂O），其中就有结晶水。但在月球，发现结晶水尚属首次。



晶体结构图

在月壤中发现的这种含水晶体，分子式是NH₄MgCl3·6H₂O，如果你中学化学还不错，计算一下分子式就知道，结晶中的含水量很大，差不多41%。



该水合矿物分子式中含有多达六个结晶水。图源：央视新闻

“这是真正的水分子，在月球的真空条件下稍稍加热，估计在70摄氏度，就可以放出水蒸气。”金老师说。当然，如果是在地面，由于有空气，估计要加热到100度才行。

“This is a real water molecule. When slightly heated under the vacuum conditions on the moon, it is estimated that water vapor can be released at around 70 C,” said Jin. “Of course, if it were on Earth, with the presence of air, it would likely need to be heated to 100 C.”

下一步：研究火山！

在俄罗斯的扎尔巴奇克火山中，5年前刚发现了类似的火山口矿物。

“也就是说，这种矿物（mineral）可能是月球火山喷发形成的，”金说。“这说明月球火山气体含有比较多的水。通过热力学（thermodynamics）计算发现，月球火山中水的含量，和地球最干燥的伦盖伊火山相当。”

这也就为下一步对月球水的科考和研究指明了方向——去研究火山！



嫦娥5号月壤样品照片

有知识渊博的读者要说了：诶？怎么以前其他的月壤样品中没有水？小时候看的“未解之谜”里面不是写着，月球没有空气没有水所以不可能有智慧生命存在吗？

月球上倒是不太可能有智慧生命，但是它是否存在水，对于月球演化研究和资源开发至关重要。在1970年前后，由于在美国阿波罗样品月壤中未发现含水矿物，月球不含水曾成为月球科学的基本假设。

While signs of life on the moon still remains as a disputable topic, the presence of water is crucial for lunar evolution studies and resource development. Around 1970, the absence of water-bearing minerals in lunar soil samples from the Apollo missions led to the basic assumption in lunar science that the moon was devoid of water.

“这可能是由于采样的纬度不同导致的，在嫦娥五号的采样点，月表温度不高于80度。这也说明分子水在月球表面的分布是不均匀的，”金老师说。“不过，因为这个晶体比较稳定，在月球广大区域，都有可能存在。”



富含水分子和铵的未知矿物晶体ULM-1的成分组成。图源：央视新闻

此次研究使用的是嫦娥五号采集的月壤样品。2020年，中国首个实施无人月面取样返回的月球探测器嫦娥五号从月球的高纬度地区采集了玄武岩（产生于大约20亿年前）月壤样本，为月球水的研究提供了新机遇。

The research in this study used lunar soil samples collected by the Chang'e 5 mission. In 2020, China's first unmanned lunar sample return mission, the Chang'e 5 probe, collected basaltic lunar regolith samples from a high-latitude region of the moon, dating back to approximately 2 billion years ago, offering new opportunities for the study of lunar water.

在中科院项目的资助下，中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心联合北京科技大学、天津大学、中国科学院青海盐湖研究所、郑州大学等专家，基于单晶衍射和化学分析，确定了这些月球水和铵的存在形式为水合矿物NH₄MgCl3·6H₂O。7月16日，该研究成果在学术期刊《自然-天文学》（Nature Astronomy）在线发表。