前述来自光谱仪的数据都是从距离月面遥远的月球上空观测到的证据，人类还从来没有在月球表面原位直接进行过水的探测。
2020年12月1日，嫦娥五号探测器在月球风暴洋北部地区着陆，随后返回1731克月球样品。月球矿物光谱分析仪获取了月表的光谱数据。用林红磊的话说：“这像是在月球上出了一次‘野外’，第一次有机会在月表近距离、高分辨地探测水的信号。”
实际上，光谱仪是靠发现羟基或者水分子的明显吸收特征来测量水。“通过分析3微米附近的光谱特征，就可以识别月表水并获得水含量。”嫦娥五号光谱仪的设计者、中科院上海技术物理研究所研究员何志平介绍。
和普遍意义上的液态水不同，光谱仪在月面探测到的“水”都藏在岩石中，水分子代表稍微加热就可以跑出来的“结合水”，羟基则代表需要较高温度才能析出的“结构水”。而目前获得的月球光谱遥感数据波段覆盖范围还无法区分这两种存在形式。
为获得更准确的数据，科研人员对光谱仪进行了热校正。“月表温度在当地正午甚至会超过100摄氏度，高温使月壤产生的热辐射会改变光谱形态，掩盖水的特征，因此对光谱进行热校正是研究月表水的关键。”林红磊说。
嫦娥五号光谱仪对采样区约2米见方的区域进行了光谱观测，观测对象除了月壤之外还有一块没有带回来的岩石。数据分析结果为月球上真的存在水增加了新的确凿证据：嫦娥五号采样区的水含量在120 ppm（百万分之120）以下，而岩石中的水含量约为180 ppm。“相当于1吨月壤中大约有120克水，1吨岩石中大约有180克水。”刘洋介绍。
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