我们倾向于认为月球是一块寒冷、多尘的岩石，但事实上，在月球日期间，其表面温度可以变得非常高。有多热？事实证明，在很短的距离内，这个答案可能会有很大差异。
当“月船 3 号”任务于 2023 年 8 月着陆月球时，它首先进行的测量之一就是表面温度。这些结果——详细刊登在 3 月 6 日发表在《地球与环境通信》杂志上的一项研究中——既出乎意料又引人入胜。它们也为所有关于月球的最大问题带来了诱人的启示：月球上有多少水？
在“月球表面热物理实验”（ChaSTE）期间，该航天器进行了自半个多世纪前阿波罗任务以来首次此类测量。阿波罗任务着陆在月球赤道附近，而“月船 3 号”则着陆在北纬 69 度——已经进入了月球先前未探索过的极地区域。
科学家们曾预计月球该区域的表面温度将在 330 开尔文（约 57 摄氏度或 134 华氏度）左右。然而，着陆点的温度却明显更高：高达 355 开尔文（82 摄氏度或略低于 180 华氏度），比预测的高出至少 20 开尔文。然而，仅仅一米之外，表面温度只有 332 开尔文（59 摄氏度或 138 华氏度）。这仍然很热，但比着陆点要凉得多，更符合科学家的预期。
事实上，仅三英尺多一点的距离内出现如此剧烈的温差，可以用一个简单的原因来解释。“月船 3 号”着陆在一个浅坡上，相对于赤道倾斜约 6°。而较冷的区域基本上是平坦的。很难相信如此小的坡度差异能解释如此大的温差。根据研究合著者、印度政府空间部行星科学司教员K. Durga Prasad的说法，这些测量实际上说明了月球的两个重要事实。
首先，月球表面覆盖着一层薄薄的尘埃和岩石碎片，被称为“松散层”。Prasad 告诉《流行科学》杂志，这一层“导热性非常低，且孔隙率很高”。换句话说，它极差地传导热量。这种不良的导热性意味着热量不会扩散到表面——如果一块地面很热，即使紧邻一块相对冷的区域，它也会保持热度。
Prasad 说，一块地面是否很热，取决于“入射太阳辐射”，也就是有多少阳光照射在其上。考虑到月球上没有树木或其他遮挡物，这里的关键因素是地形。如果其余地形水平，那么面向太阳的地面会比背向太阳的地面更热。同样重要的是，随着坡度的增加，其对入射太阳辐射的影响也会增加。
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至关重要的是，最后一个效应取决于纬度。当你离开赤道时，太阳光线照射到月球的角度变得越来越倾斜——斜坡角度的变化对该斜坡接收到的阳光量的影响程度也随之变化。在月球两极，即使是微小的地形变化也会导致表面温度发生显著差异——正如“月船 3 号”着陆点的测量结果所清晰展示的那样。
但这所有的一切与月球上可能存在的水量有什么关系呢？根据 Prasad 的说法，造成这些测量结果中出现巨大温差的有两个因素——表面导热性差以及离开赤道后地形变化敏感性增加。这两者也都会影响月球的地下温度，而地下温度在决定月球积累和储存水分的能力方面起着重要作用。
“松散层”的导热性差也意味着热量很难向下传播到月球风化层中。这种热量缺乏导致了表面温度与仅几英寸深的岩石温度之间存在显著差异。在给定点，“松散层”的厚度是决定表面温度与地下温度之间差异的主要因素。
Prasad 说：“由于表层具有低导电性，热量……传播到地下非常缓慢，[并且]表面温度与地下温度之间存在很大的温差。”“另一方面，[在]导电性高的地方，热量会更快地传播到地下，从而导致温差[相对较小]。”
地下温度对于水的存在至关重要。它是影响水冰积累的几个因素之一，但根据 Prasad 的说法，“主要问题不仅仅是水的积累，而是水[迁移]到地下并[长时间]停留。”他说，这些过程在很大程度上取决于表面和地下的温度。
科学家们长期预测，月球上可能存在的任何水最有可能存在于月球两极。然而，这项新研究利用“月船 3 号”的数据表明，在极地区域周围也可能存在更多的水。在这些区域中，地形相对于太阳有一个足够大的倾斜角度——根据论文中的计算，大约14°——可能与实际的极地区域一样适合水的存在。
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Prasad 说：“本研究表明，[这些地点]为在浅层积累水冰提供了与极地相似的环境。”
那么，可能存在多少“额外”的水呢？这很难说，而且肯定不像将额外深度乘以合适斜坡的表面积那么简单。
Prasad 说：“水冰积累和储存的整个过程相当复杂。”
尽管如此，“月船 3 号”任务收集的数据已经能够改进对月球不同代表性地点的水冰迁移和稳定性的模型。最终，这篇论文证明了天文学家收集第一手数据的重要性。
Prasad 说：“基于 ChaSTE 的温度剖面作为地面实况，[我们可以]为月球上不同代表性地点的水冰迁移和稳定性建模。”“[目的是]全面了解月球上水冰的分布。”
