与地球不同的是，月球本身没有全球性磁场，也没有浓密大气的保护，其表面直接暴露在极端温度和恶劣的太空真空环境之中。此外，月球表面的平均温度可以从白天的约100摄氏度，下降到夜晚的零下150摄氏度左右，如此大的温差使得液态水无法稳定存在。因此，此前人们普遍认为月球如同沙漠一般干燥无水。
但随着观测研究的深入，科学家发现月球极区有些撞击坑底部的永久阴影区，终年不受太阳光照射，温度极低，在真空条件下，水冰可能稳定存在。
20世纪90年代，科学家发现“克莱门汀”号探测器上雷达在月球南极永久阴影区的回波存在异常；NASA“月球勘探者”号探测器上的中子谱仪显示月球永久阴影区有大量的氢。
昏暗无光的永久阴影区，聚集了寻找月球水的目光。科学家希望能够在月球永久阴影区找到月球水存在的证据。
2010年，美国的卫星撞击月球的永久阴影区，在溅射的尘埃中发现了大量的水冰，证实了月球水的存在。2020年，美国国家航空航天局（NASA）首次通过望远镜观测证实月球表面存在水；2022年1月，我国嫦娥五号月球着陆器首次获得月表原位探测数据，月球存在水从此有了“现场证据”。
如今，科学家已经通过月球遥感探测、返回月球样品分析以及撞击实验等多种研究手段，发现了月球水主要以3种形式存在：两极永久阴影区的水冰、部分区域来自月球内部的岩浆成因水以及以羟基或水分子形式遍布月球的月表水。
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