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为什么美国和苏联的月壤样本没有发现分子水，而我国嫦娥五号的样本第一次发现分子水？

最近我国科学家宣布，在嫦娥五号的月球样本中，发现了一种富含水分子和铵的未知矿物晶体，这也标志着人类第一次在月壤当中直接确认了分子水的存在。

五十多年前美国阿波罗登月（Apollo）带回来了382公斤月壤，苏联月球探测器（luna）也带回来了321克月壤，那为什么他们那时候没有发现分子水呢？咱们嫦娥五号只带回来了1731克月壤，咱们是怎么一下就发现分子水的呢？

其实这里存在一个很容易被大家忽略的问题，如果给你一份月壤，你怎么确定里面到底有没有水呢？

（我国科学家发现了明确的分子水的光谱信号）

事实上从阿波罗登月计划以来，人类对极低含量的水的检测技术，一开始是非常不靠谱的，直到最近二十年才有了比较大的突破。而这一点，网上的新闻却很少告诉你，因为这个技术真的太冷门了，对大众来说非常陌生。

但是在介绍这个检测水的技术之前，我们先要明确一个概念，什么是“分子水”？

在我们的宇宙中，水（H2O）主要有三种存在形式：

第一种是游离水，水分子可以自由流动，地球上绝大多数水都是游离水，比如常见的液态水，水蒸气和水冰，水分子都是游离状态的。

第二种是结晶水，水分子作为一个整体，与其他化合物分子一起结晶，形成了一些特殊的结构，有时候结合得还很牢固，这里的水分子是定死了的，不能自由流动，但至少还是完整的状态，可以通过高压加热等方式把水分子提取出来。

第三种叫做结构水，这个时候水分子已经破坏掉了，本来完整的是一个氧原子抱着两个氢原子（HOH），结果被抢走了一个氢原子，剩下的那个氢原子和氧原子被迫给其他分子打工去了，变成了羟基（-OH），就成了结构水。

高中化学学过“结构水”，又叫做“官能团”，实际上结构水已经不是真正的水了，只是保留了水分子的一些化学特点而已。

那这一次中科院发现的分子水，其实就属于第二种“结晶水”，是在嫦娥五号的月壤样本当中，我们首次发现了一种未知的含水矿物质（ULM-1），分子式非常复杂，（NH4）MgCl3·6H2O，但是看这个分子结构图，这些红色的点就是水分子。

（红色的就是六个水分子）

就像建筑材料一样，被固定在了铵根（NH4）、氯（Cl）和镁（Mg）的化合物当中，一套结晶里面有6个水分子，水分子占总质量的比值高达41%，可以说是非常高了。

但是别搞混了，41%只是这种矿物分子当中的水含量，因为这种矿物本身在月壤当中非常稀少，所以月壤中分子水的总体含量也非常稀少。

而且呢，这种物质在地球上目前还没有找到一模一样的，目前只找到一种非常相似的，(NH4K)MgCl3·6H2O，分子式里面多了一个钾原子（K）。

在地球上，这种类似的矿物是2007年才首次发现的，是一种热玄武岩在火山爆发的时候，跟水、氨反应形成的稀有矿物。现在月球上也发现了类似的东西，那就说明这很可能是月球上火山爆发的产物，对研究月球演化有重要意义。

了解了我国的最新发现之后，现在就可以回答这个问题，为什么五十多年前美国和苏联的月球样本当中，都没有发现分子水呢？

原因有两个，第一个原因，以前的检测技术太弱了，极低含量的分子水很难检测出来，或者就算测出来了，但是误差太大，不能作为科学上的实锤结果。

地球上最干燥的撒哈拉沙漠，沙子里水的含量都有2000ppm，ppm是一个表述含量多少的单位，意思是百万分之一，而月壤当中水的含量只有10ppm，比撒哈拉沙子还要低两个数量级。

但是在1970年代，科学家测量月壤当中水、氢的同位素，主要是用化学燃烧法和红外检测法，只能检测高于1000ppm含量的水，根本检测不出来这种10ppm极低含量的分子水。所以当时不光是阿波罗6次采样检测不到水，苏联3次采样带回地球的样本，也检测不到水。

（苏联无人登月探测器。那个年代无人设备效率很低，所以只能采集很少的样品）

这也是为什么在1980年代，我国科学家分析美国赠送的1克阿波罗样本的时候，也只能测出来同样的结果，阿波罗样本当中是没有水的。

还有一个问题，就是当时的密封技术也不行，检测的时候不能完全排除地球上水分子的污染，稍微漏了一点点，那检测结果就不可信了。

苏联科学家曾经在1978年宣布检测到了水，但是怀疑样本受到了地球水蒸气的污染，所以没办法确认。

其实这里也能看出来，四五十年前登月的科研价值是有限的，当时分析技术跟不上，就算带回来月壤也研究不出更深入的结果。这也是后来美苏都取消了后续的探月任务的根本原因之一。

不过，全世界的科学家们并没有放弃，因为样本没检测到水，不代表月球真的没有水，他们猜测月球是有水的，只是含量极低，超出了当时的检测能力，那就等，等技术发展起来再去月球。这一等就是三十年，新的探测技术终于出现了。

1998年，美国发射了月球勘测者号探测器，首次搭载了一个中子谱仪进入环月轨道，这个中子谱仪可以探测到非常微弱的中子信号，在月球表面发现了大量的氢元素，有氢就可能有水。

2007年，我国嫦娥一号探测器发射，用微波和光谱仪扫描了月球南北极，进一步发现了月球水可能存在的证据。

2009年，印度月船一号探测器搭载了月球矿物光谱仪，结果显示月球表面到处都有水，虽然含量极低，而且是分子水或者结构水（羟基）的状态。

美国卡西尼号探测器、深度撞击号探测器也顺路探测了月球，互相交叉印证，确认了中国和印度的探测结果，全世界科学家们都兴奋了起来，这也是为什么最近十多年各个国家都想去探测月球了。

但是这些探测都是利用光谱仪之类的手段，间接观察的结果，不是直接证据。要实锤这个问题，还是得突破检测极低含量的水的技术。这个技术就是“纳米离子探针技术”（Nano SIMS）。

（纳米离子探针实验室资料图）

纳米离子探针技术是1998年才开始研发，2008年才开始用在矿物分子分析领域。这个技术是人类对微观世界最先进的探测手段之一，可以检测出几十纳米的材料成分。除了这个技术，红外光谱分析等其他技术的精度，也比五十年前大幅提高了。

人类搞出了这些新科技之后，就对当年阿波罗的样本重新进行了分析，果然，月球是有水的！

2008年，美国科学家率先使用纳米离子探针技术，重新分析了阿波罗的样本，确认了其中结构水（羟基）的存在。

2022年，中科院物理所的科学家团队发表了一篇论文，《阿波罗11号月壤样品中太阳风成因的水及其意义》，再次分析了当年美国送给中国的1克样本，确认了其中有结构水的存在。

并且我国科学家对比了嫦娥五号、美国阿波罗和苏联探测器的三种样本，拿到了更多的研究成果。

（嫦娥五号矿物表层显微结构）

耐心看到这里的朋友们，就可以得出一个结论了，人类对于月球的认知，是不断发展的，以前“月壤不含水”是过去检测技术不够先进导致的局限猜测。

现在我们用最新的技术，推翻了这个猜测，在月壤样本中不仅发现了羟基状态的水，还第一次发现了分子状态的水。

但是到这里，问题只解释了一半。同样是用纳米离子探针技术，为什么阿波罗和苏联样本里没有发现分子水，嫦娥五号样本里却能第一次发现呢？

这就是第二个原因了：月球表面的月壤成分确实是不均匀的，各个不同位置采集的月壤成分是有一定差异的。

中国和美国的月壤成分确实不一样，美国六次阿波罗任务的月壤成分也各不一样。上图是我国科学家在1980年代编写的月壤成分资料，明确记载了美国六次阿波罗任务中发现了多种地球上没有的矿物。

（早在1980年代，我国科学家就尽可能收集月球资料，为后人探月铺路，研究者也不止是欧阳自远一人。有些谣言完全是罔顾历史，对不起科研先辈）

后来嫦娥五号发现新矿物，也是顺理成章的事情，不仅不能作为美国载人登月造假的证据，反而进一步验证了美国月壤的真实性。况且前面说了，地球上最近二十年都还在不断发现新的矿物，在月球上要是没发现新矿物，反而显得奇怪了。

嫦娥六号的样本分析结果还没公开，但是肯定也跟五号的成分不一样，说不定又能发现新的矿物。

刚刚说了，这次发现的未知矿石，在地球上的亲戚也是火山爆发形成的。受制于时代，美国和苏联探月的时候只能在低纬度地区降落，而我们有后发优势，嫦娥五号能够在更高的纬度着陆，着陆点也是精挑细选，最终选择了月球最后一批火山爆发的遗址，挖到了不一样的样本，果然找到了分子水。

（嫦娥五号的纬度，高于美国和苏联登月点）

那以后会不会发现游离状态的水，也就是可流动的水/冰呢？

当然也是有可能的，这个答案就要交给嫦娥七号去探索了。

现在我们已经知道，纬度越高，越靠近月球南北极，水的含量可能就越高。2026年，嫦娥七号要飞到月球南极，那里有永久阴影区，可能有游离水，以水冰的形式存在。如果我们能确认月球上也有游离水，那对人类来说，又会是一个意义重大的新发现。

咱们中国从研究别人的月壤，到如今引领人类的月球新发现，这一路走来，真的很不容易。所以我觉得，更应该把这些故事讲清楚，大家一起见证祖国的进步，探讨其中的技术，而不是沉浸在那些阴谋论的争吵当中。