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近水樓台先得月─如何在月球的水資源爭奪戰中以小博大
雖然很多觀測結果間接指出,月球極區一些不受陽光照射的「永夜」隕坑底部,可能存有水冰,但到今年七月才經由印度「月神一號」的近紅外光譜儀觀測,直接證明在月球南北極20度的地方,有零散的水冰曝露在表面,其中以南極的「永夜」隕坑更為顯著。這些水冰作為月球殖民基地的水資源極為重要,所以誰得先機,便可以事半功倍地發展未來50年在月球的基礎建設和科技研究!
 
 
但水冰貯藏地點的勘察非常費時費力,不容許經費龐大發射頻率又低的「恐龍級」大型月球任務,因此各個太空組織都積極研發小型載具,或交由大學或商業組織以加快節奏。在這次的報告中,我們將先描述一些案例,然後試著勾勒一個台灣的登月路線圖。
 
講演綱要(撰文|孫維新)

12月28日晚間的第七場秋季展望演講,由中央研究院院士,國立中央大學天文研究所與太空科學研究所葉永烜講座教授擔綱,葉教授以「近水樓台先得月-如何在月球的水資源爭奪戰中以小博大」為題,解析重返月球的代價與可能,並且詳盡的解釋科學家的推論,以及偵測到的縝密科學數據。搜索月球之水的背後,代表人類科技與學術發展的進步,也意味太空資源的競逐與保衛。國際間對鄰近月球的觀測,以及登入月球的下一步,皆值得身為地球公民的我們,更為積極的去瞭解其成果與動態!

 

2019年是阿波羅11號登陸月球的50周年,在過去的宇宙探索競賽中,曾有一段時間大家爭相要登上月球。然而在美國率先登陸月球後,各國似乎都停止繼續探索,彷彿這是一場只爭第一名的競賽,不過葉教授指出,並不是這樣。葉教授說到當時美國、蘇聯的計畫,其實是要在月球上建立軍事基地,他因此也提了過去對21世紀「月球上生活」的想像。不過這些計畫為何就此停下?答案是因為「水」!NASA如果要運送1公升的水上到月球,大概需要12,000美元。一個人平均一天需要2公升的水,更不用說維持一個軍隊需要的水資源!月球上究竟有無水資源?研究人員從月球採集的石頭樣本裡發現,水含量非常稀少,這才讓各國打消念頭。

 

為什麼月球上的水資源如此稀少?葉教授表示月球的成因可能給出答案。月球的起因眾說紛紜,目前最有可能的是「月球碰撞來源理論」:原始地球曾被約莫火星大小的星體撞擊,撞出的物質彼此間重新碰撞,最後結合成月球,所以月球本來離地球是非常接近的,只是在潮汐作用下才逐漸往外推,遠離了地球。此理論中的月球,初始溫度非常高,所以裡頭的水分和有機物質等,都受激發而排放了出去。

 

月球表面幾乎沒有水,若我們要尋找水(或冰),那麼最有可能的位置在哪裡?若比照地球的溫度分布,我們可以推測應該是在極區的位置,且考慮到月球布滿隕坑,必然有一些長年無法被太陽照射的位置,於是月球表面的水分子在蒸發、凝結的移動中,很有可能會移動到極區的隕坑,在這些低處漸漸累積出水冰儲存。從月球極區隕坑分布看來,最高的地方可達10公里,最低則為- 8公里。由此可知,月球表面不是平的,高低落差間可達十幾公里(而面對我們的這一側是相對平滑的地形),南極的隕坑相較於北極來得更深。

 

科學家另外又利用了模型模擬月球的地形和太陽光的照射,分析出完全無法被太陽照射的位置-也就是極有可能儲藏水冰的位置。葉教授展示了水分子遷移模型,可以看出表面溫度與水分子跳躍的關係,一旦配合著溫度,水分子到了極區的某地方,結果可以模擬出水分子可能停下來凝結出水冰的位置。月球的水資源來源是哪些?包含了彗星和小行星與月球的碰撞,雖然可能有部分水分子在太陽的照射下電離化,其他運氣好的則有機會進入極區的隕坑凝結成水冰。

 

原本這些都只是理論,直到1998年,NASA發射了月球探勘者號(Lunar Prospector),主要任務包含對月球表面物質組成、南北極可能的水冰沉積、月球磁場與重力場進行研究。它裝備了中子光譜儀來偵測水冰,不過月球上怎麼會有中子?葉教授解釋到,宇宙射線打到月球表面時會產生一些核反應,進而產生中子,跟其他原子碰撞以分散能量。這個中子若是碰撞到了氫原子,因為兩者質量相近,中子會將己身一半的能量分給氫原子,因此含有氫的地方偵測到的中子會較少,所以中子光譜儀偵測到的中子數量將可以推測出在月殼上的氫原子數量與分布位置,由此猜測水冰在哪裡。

 

最近印度太空總署發射了Chandrayaan-1衛星,其上搭載NASA的M3儀器(Moon Mineralogy Mapper),主要是由月球表面反射的電磁波來判斷組成材質,科學家也終於可以確認月球兩極的隕坑確實有水冰的存在。「近水樓台先得月」,我們要如何確認這些水冰分布的詳細狀況?月球可分為近面和遠面,近面有好些月海(平原),遠面則不同,地形分布的高度也較高(高原和隕坑較多)。目前沒有任何國家探測過遠面,原因在於「通訊問題」。葉教授表示可以利用地月系統的拉格朗日L2點,若是我們將太空船放到月球後面,就可能實現對遠面的著陸器、巡視器的測控通信,訊息也可藉由太空船傳回地球。

 

中國大陸於2018年發射的嫦娥四號中繼衛星鵲橋,是世界上首顆運行於地月拉格朗日L2點的通信衛星,承擔地球與嫦娥四號之間的通訊中繼任務。嫦娥4號預計於2019年1月3日在月球南極高緯度的月球背面的馮卡門撞擊坑軟著陸,如果成功,這將是世界首次實現月球背面軟著陸和巡視勘察,而這同時也可能引發一場新的太空競賽。

 

葉教授最後介紹了NASA的發射系統和獵戶座太空船、立方體衛星,以及其他的觀測儀器和許多先進技術,其中包含1972年的月球基地的設計構想是否也可能獲得實現。為什麼會想到月球背面進行探索?不同人也許會有不同的答案。他以一位天文學家的身分表示,主要是「漂亮」。相比於地球上的無線電望遠鏡容易受到手機電話等干擾,導致某個長波長的無線電波無法在地面上被觀測,甚至因為會被地球本身的電離層擋住,月球背面在這部分就顯現出其優點。曾有人誇大說:天文學直到月球的遠面才真正開始!首先是它不會有這些干擾,其次則是它很少水,綜合下來可以讓我們觀測到許多過去可能難以接收的訊號。葉教授對此表示深切的期待,同時也期許有興趣的人可以一同來參與相關工作!

 
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