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郑永春，博士，中国科学院国家天文台研究员，中国科普作家协会副理事长，青年科学家社会责任联盟理事长，“科普中国”形象大使。
月球上有没有水？如果有水，又是以什么方式存在的？一直以来，这些问题在学术界争论不休。
月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他们认为，月球极地一些撞击坑底部，可能处于太阳照射不到的永久阴影区，表层和次表层的温度常年维持在零下233摄氏度到零下223摄氏度。原始月球脱气作用产生的水，以及彗星撞击月球携带至月表的水，在这样的低温条件下，很可能会以水冰的形式长期保存下来，逃逸进入太空的可能性很小。他们推测，月球两极的深坑底部可能存在大量水冰。
在月球水冰设想提出后的30余年间，科学家进行了多方面的探索，直到上世纪90年代，都没有找到月球有水的确凿证据。在科学家持续不懈的努力下，过去的20多年来，月球找水获得了一系列突破性进展。
阿波罗月岩中发现水
虽然前苏联科学家早在1978年就在月球24号的样品中发现存在0.1%的水，但美国人根本不认可这一结果，他们认为所有的阿波罗样品都不含水，前苏联人发现的水是因样品保存不当导致的，其理由当然是阿波罗登月采集的月球样品中没有发现水。
然而，随着精细分析技术的提高，阿波罗样品不含水的结论在2008年被推翻了。华盛顿卡内基学院的埃里克·霍利研发了二次离子质谱分析技术，能够探测样本中非常微量的元素，他们利用该技术成功发现地球熔融地幔中含有水。美国布朗大学的阿尔贝托·萨尔曾参与该研究，希望将该技术应用在月球样品研究上，他用3年时间才说服NASA提供研究经费，并从阿波罗样品中挑选了约40颗月球火山玻璃的珍贵样品。萨尔的研究小组并没有直接发现水，而是分析氢的含量，分析结果与地球地幔样品中氢和水的分析结果相似，这说明月球内部可能与地球的地幔一样存在大量水。
接着，2010年3月，美国卫斯理大学詹姆斯·格林伍德教授在阿波罗月岩中发现了微量水，最高含量可能只有千分之几。研究人员利用电子微探针的粒子束轰击磷灰石，可以计算出岩石样本内氟和氯的含量。根据磷灰石的计算公式，氟和氯的含量表明，要使得磷灰石的晶体结构趋于完整，还需另一种化合物。研究人员得出的结论是，这种化合物可能是氢氧化物——磷灰石和水分解后的产物。他表示这项研究证明月球岩石中的水并不是来自于地球。
近年来，随着科学仪器的灵敏度和分析精度的显著提高，科学家们相继在月球样品中发现氢或水，而且我们相信今后还将有类似证据表明月球样品中含有氢或水，但这种氢或水存在于矿物品格内，含量甚微，也极难提取，难以改变月球绝对干燥的结论。
雷达探测
由于目前发现月球上存在水的地区基本上都位于南北极的永久阴影区内，这些地区由于地处高纬度，太阳每次基本上在地平线上划过，光线不能照射到撞击坑的底部，因此，可见光相机和其他需要依赖太阳光反射或激发的仪器都不能看到这些撞击坑底部的景象。而雷达探测不依赖光照，可以对月球两极永久阴影区进行成像，可望获得撞击坑底部的地形和水冰是否存在的确凿证据。
1994年，美国发射克莱门汀号月球探测器。该探测器的雷达回波显示，月球上可能有水。由于克莱门汀号的雷达探测结果受到争议，印度月船一号探测器上搭载的微型合成孔径雷达（Mini-SAR），采用了不同的工作方式，即发射左旋极化信号，接收水平极化和垂直极化的反射信号，这种工作方式可以保留反射信号的全部信息，从而明确判断回波异常到底是由水冰-月壤混合物引起的，还是其他因素引起的。
微型雷达在月球北极发现了40多个大小不等（直径大约1.6～15千米）的撞击坑具有异常的回波特征。其中，约30个撞击坑只有坑内出现回波异常，坑环和外围都没有出现回波异常，推测是由于坑内含有水冰引起的；另有11个撞击坑的坑内和外围都出现回波异常，推测是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南极也发现了类似的现象。这说明，月球极区的这些撞击坑内很可能存在水冰。据初步估算，月球北极的30余个撞击坑内大约有6亿吨水冰。而且，未来可能选址作为月球基地的南极休梅克撞击坑内，也发现了水冰。
根据雷达探测的原理，这些撞击坑内的水冰很可能是以大冰块或冰层的形式存在，分布在10米厚的月壤层内。
光谱探测
2009年10月，美国布朗大学卡尔·皮埃特斯等通过对月球矿物制图仪获得的近红外光谱进行仔细研究，他们发现几乎在月球所有纬度上都存在羟基（由1个氢原子和1个氧原子组成），或可能是水的光谱信号。
由于光谱探测只能感应表面几毫米的深度，因此，月球矿物制图仪发现的水应该存在于月表数毫米厚的月尘内，含量甚微，与月球矿物以结晶水形式存在。按照地质学的经验，结晶水与矿物之间的结合非常牢固，常常需要加热到200摄氏度甚至更高的温度才能释放出来，这就解释了为什么在白天温度可以达到130摄氏度左右的月球中低纬度地区也检测到了羟基信号。
中子探测
1998年，美国发射的月球勘探者号探测器的中子探测结果显示，在月球两极地区存在丰富的氢，据此推测，月球极区可能含有丰富的水冰。
与前面提到的月球勘探者号的中子探测原理相似，月球勘测轨道器上也搭载了一台低能中子探测仪，通过记录中子计数探测氢的含量，并进而证明水的存在。中子探测仪在月球撞击坑内的永久阴影区发现了丰富的氢（氢很有可能以水的形式存在）。
由于中子探测仪的探测深度为月球表层数米厚的月壤，因此这些“水”可能是以冰粒形式与月壤混合，即“脏冰”。但令人费解的是，在温度较高、日照强烈的3个撞击坑外围地区，也发现了丰富的氢。
撞月探测
月球勘测轨道器的子卫星——月球坑观测和传感卫星（LCROSS），由牧羊航天器和半人马座火箭2部分组成。2009年10月9日，约2.2吨重的半人马座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞击月球南极的凯布斯坑（Cabeus），牧羊航天器上的科学仪器有4分钟时间探测撞击溅射物，并把探测数据传回地面控制中心。遗憾的是，LCROSS的撞击规模和亮度都远低于预计，地面和其他空间探测器上的观测设备甚至没能观测到明显的撞击效果，与撞击前的高调宣传形成很大的反差。
而后，美国宇航局专门召开新闻发布会，宣布LCROSS的撞击成功地证实月球上确实有水。据报道，半人马座火箭撞击产生的溅射物包括两部分，一部分由密度较小的蒸汽和粉尘组成，在撞击后腾空而起；另一部分由密度较大的岩石块和颗粒组成，撞击后向四周抛射。在这次不甚成功的撞击后，科学家团队顶着压力，几乎夜以继日地分析牧羊航天器传回的大量数据。研究重点集中在光谱仪的探测数据，这是月球上存在水的重要证据。
科学家们首先排除了半人马座火箭污染月表的可能性，接着他们用水和其他物质已知的近红外光谱信号，同LCROSS近红外光谱仪在撞击中获得的光谱信号进行对比，发现只有月壤与水的混合光谱，才与LCROSS获得的光谱相似。而月壤与任何其他含羟基化合物的混合光谱，都无法与LCROSS的观测结果相匹配。有多重证据表明，水同时存在于上述两部分溅射物中。虽然水的浓度和分布还需进一步分析，但可以确定的是，凯布斯坑中有水。
结论
最后，让我们回到最初的问题，月球上找到水了吗？迄今，人类已在多次任务中以不同的探测方式获得了极区永久阴影区中存在水冰的证据。部分专家认为，目前基本上可以证实月球上确实有水。但是，最终的结论还需要通过派遣机器人或航天员，进行实地钻探取样以证实水冰的存在和含量。
科学家没有停止努力。極区将成为未来月球探测的重点区域，通过在月球上找水，将为建设月球基地提供潜在的水资源。
月球上有没有水？如果有水，又是以什么方式存在的？一直以来，这些问题在学术界争论不休。
月球存在水冰的设想最早是由美国科学家肯尼思·沃森等人在1961年提出的。他们认为，月球极地一些撞击坑底部，可能处于太阳照射不到的永久阴影区，表层和次表层的温度常年维持在零下233摄氏度到零下223摄氏度。原始月球脱气作用产生的水，以及彗星撞击月球携带至月表的水，在这样的低温条件下，很可能会以水冰的形式长期保存下来，逃逸进入太空的可能性很小。他们推测，月球两极的深坑底部可能存在大量水冰。
在月球水冰设想提出后的30余年间，科学家进行了多方面的探索，直到上世纪90年代，都没有找到月球有水的确凿证据。在科学家持续不懈的努力下，过去的20多年来，月球找水获得了一系列突破性进展。
阿波罗月岩中发现水
虽然前苏联科学家早在1978年就在月球24号的样品中发现存在0.1%的水，但美国人根本不认可这一结果，他们认为所有的阿波罗样品都不含水，前苏联人发现的水是因样品保存不当导致的，其理由当然是阿波罗登月采集的月球样品中没有发现水。
然而，随着精细分析技术的提高，阿波罗样品不含水的结论在2008年被推翻了。华盛顿卡内基学院的埃里克·霍利研发了二次离子质谱分析技术，能够探测样本中非常微量的元素，他们利用该技术成功发现地球熔融地幔中含有水。美国布朗大学的阿尔贝托·萨尔曾参与该研究，希望将该技术应用在月球样品研究上，他用3年时间才说服NASA提供研究经费，并从阿波罗样品中挑选了约40颗月球火山玻璃的珍贵样品。萨尔的研究小组并没有直接发现水，而是分析氢的含量，分析结果与地球地幔样品中氢和水的分析结果相似，这说明月球内部可能与地球的地幔一样存在大量水。
接着，2010年3月，美国卫斯理大学詹姆斯·格林伍德教授在阿波罗月岩中发现了微量水，最高含量可能只有千分之几。研究人员利用电子微探针的粒子束轰击磷灰石，可以计算出岩石样本内氟和氯的含量。根据磷灰石的计算公式，氟和氯的含量表明，要使得磷灰石的晶体结构趋于完整，还需另一种化合物。研究人员得出的结论是，这种化合物可能是氢氧化物——磷灰石和水分解后的产物。他表示这项研究证明月球岩石中的水并不是来自于地球。
近年来，随着科学仪器的灵敏度和分析精度的显著提高，科学家们相继在月球样品中发现氢或水，而且我们相信今后还将有类似证据表明月球样品中含有氢或水，但这种氢或水存在于矿物品格内，含量甚微，也极难提取，难以改变月球绝对干燥的结论。
雷达探测
由于目前发现月球上存在水的地区基本上都位于南北极的永久阴影区内，这些地区由于地处高纬度，太阳每次基本上在地平线上划过，光线不能照射到撞击坑的底部，因此，可见光相机和其他需要依赖太阳光反射或激发的仪器都不能看到这些撞击坑底部的景象。而雷达探测不依赖光照，可以对月球两极永久阴影区进行成像，可望获得撞击坑底部的地形和水冰是否存在的确凿证据。
1994年，美国发射克莱门汀号月球探测器。该探测器的雷达回波显示，月球上可能有水。由于克莱门汀号的雷达探测结果受到争议，印度月船一号探测器上搭载的微型合成孔径雷达（Mini-SAR），采用了不同的工作方式，即发射左旋极化信号，接收水平极化和垂直极化的反射信号，这种工作方式可以保留反射信号的全部信息，从而明确判断回波异常到底是由水冰-月壤混合物引起的，还是其他因素引起的。
微型雷达在月球北极发现了40多个大小不等（直径大约1.6～15千米）的撞击坑具有异常的回波特征。其中，约30个撞击坑只有坑内出现回波异常，坑环和外围都没有出现回波异常，推测是由于坑内含有水冰引起的；另有11个撞击坑的坑内和外围都出现回波异常，推测是由粗糙地形等其他原因引起的。月球南极也发现了类似的现象。这说明，月球极区的这些撞击坑内很可能存在水冰。据初步估算，月球北极的30余个撞击坑内大约有6亿吨水冰。而且，未来可能选址作为月球基地的南极休梅克撞击坑内，也发现了水冰。
根据雷达探测的原理，这些撞击坑内的水冰很可能是以大冰块或冰层的形式存在，分布在10米厚的月壤层内。
光谱探测
2009年10月，美国布朗大学卡尔·皮埃特斯等通过对月球矿物制图仪获得的近红外光谱进行仔细研究，他们发现几乎在月球所有纬度上都存在羟基（由1个氢原子和1个氧原子组成），或可能是水的光谱信号。
由于光谱探测只能感应表面几毫米的深度，因此，月球矿物制图仪发现的水应该存在于月表数毫米厚的月尘内，含量甚微，与月球矿物以结晶水形式存在。按照地质学的经验，结晶水与矿物之间的结合非常牢固，常常需要加热到200摄氏度甚至更高的温度才能释放出来，这就解释了为什么在白天温度可以达到130摄氏度左右的月球中低纬度地区也检测到了羟基信号。
中子探测
1998年，美国发射的月球勘探者号探测器的中子探测结果显示，在月球两极地区存在丰富的氢，据此推测，月球极区可能含有丰富的水冰。
与前面提到的月球勘探者号的中子探测原理相似，月球勘测轨道器上也搭载了一台低能中子探测仪，通过记录中子计数探测氢的含量，并进而证明水的存在。中子探测仪在月球撞击坑内的永久阴影区发现了丰富的氢（氢很有可能以水的形式存在）。
由于中子探测仪的探测深度为月球表层数米厚的月壤，因此这些“水”可能是以冰粒形式与月壤混合，即“脏冰”。但令人费解的是，在温度较高、日照强烈的3个撞击坑外围地区，也发现了丰富的氢。
撞月探测
月球勘测轨道器的子卫星——月球坑观测和传感卫星（LCROSS），由牧羊航天器和半人马座火箭2部分组成。2009年10月9日，约2.2吨重的半人马座火箭首先以2.5千米/秒的速度撞击月球南极的凯布斯坑（Cabeus），牧羊航天器上的科学仪器有4分钟时间探测撞击溅射物，并把探测数据传回地面控制中心。遗憾的是，LCROSS的撞击规模和亮度都远低于预计，地面和其他空间探测器上的观测设备甚至没能观测到明显的撞击效果，与撞击前的高调宣传形成很大的反差。
而后，美国宇航局专门召开新闻发布会，宣布LCROSS的撞击成功地证实月球上确实有水。据报道，半人马座火箭撞击产生的溅射物包括两部分，一部分由密度较小的蒸汽和粉尘组成，在撞击后腾空而起；另一部分由密度较大的岩石块和颗粒组成，撞击后向四周抛射。在这次不甚成功的撞击后，科学家团队顶着压力，几乎夜以继日地分析牧羊航天器传回的大量数据。研究重点集中在光谱仪的探测数据，这是月球上存在水的重要证据。
科学家们首先排除了半人马座火箭污染月表的可能性，接着他们用水和其他物质已知的近红外光谱信号，同LCROSS近红外光谱仪在撞击中获得的光谱信号进行对比，发现只有月壤与水的混合光谱，才与LCROSS获得的光谱相似。而月壤与任何其他含羟基化合物的混合光谱，都无法与LCROSS的观测结果相匹配。有多重证据表明，水同时存在于上述两部分溅射物中。虽然水的浓度和分布还需进一步分析，但可以确定的是，凯布斯坑中有水。
结论
最后，让我们回到最初的问题，月球上找到水了吗？迄今，人类已在多次任务中以不同的探测方式获得了极区永久阴影区中存在水冰的证据。部分专家认为，目前基本上可以证实月球上确实有水。但是，最终的结论还需要通过派遣机器人或航天员，进行实地钻探取样以证实水冰的存在和含量。
科学家没有停止努力。極区将成为未来月球探测的重点区域，通过在月球上找水，将为建设月球基地提供潜在的水资源。