月球两极存在水冰的假设，最早是1961年由加州理工大学教授Watson等人提出，后来在阿波罗探月采集的月球样品中检测出水存在的信号，但普遍认为是由地球大气中水汽污染导致。2009年美国发射LCROSS高速撞击月球永久阴影区，探测撞击形成的溅射物是否有水冰存在，仅观测到可能有羟基存在的证据。其它探测到水存在的直接和间接证据则一直存在较大争议，譬如雷达和中子谱仪数据。
月球两级的永久阴影区为水冰的稳定存在提供了必要条件，由于月球自转轴几乎垂直于太阳光照射方向，月球两极紧密分布的撞击坑使得高程起伏大，因此，月球两极存在永远无法接受太阳光直接照射的区域，被称作永久阴影区，最新数据显示，其面积在南北两极分别达到约16055km2和12866km2，这里温度极低，最低温度可以达到-250摄氏度。
不过，水冰存在的形式和含量目前还有较大争议，不同遥感数据、同一数据的解释之间还存在着矛盾，尚未达成共识。如果月球存在水，或更广义上的水，即羟基，其来源可能有几种：彗星水、太阳风注入的水，以及火山喷发过程中脱气作用所产生的岩浆水等。对于月球两极水的确认还需要进一步的探测，尤其是针对永久阴影区的着陆探测。
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