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首都科学讲堂第677期《我们为何要研究月壤?》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2021-01-10

  2021年1月9日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国科学院天文台研究员郑永春,为大家带来题为《我们为何要研究月壤?》的精彩讲座。

  

  我们为何要研究月壤?

  2020年12月17日凌晨1时59分,嫦娥五号返回器成功着陆在内蒙古四子王旗预定区域,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成,探月工程圆满收官。本次任务共采集1731克月球样品,被移交给中国科学院国家天文台进行深入研究。科学家为何要登月“挖土”?月壤到底是怎么取样的,又将如何展开研究?

  第一讲 科学家为何更喜欢研究月球岩石?

  1969年至1972年这短短的三年间,美国共有12名宇航员登陆月球,采集了381.7公斤的月球岩石和土壤回到地球,这就是著名的阿波罗计划。

  1976年美国总统特使访华的时候,送了1克阿波罗计划采集的月球样品给中国科学院,中国科学院把它交给中国科学院地球化学研究所,组织全国的科学家对其中的0.5克月岩进行研究,并发表了14篇论文。另外的0.5克月岩则被保存在北京天文馆进行展出。

  阿波罗登月从月球上采集的岩石,每一块都有独特的编号。通过编号,可以追溯它是哪次任务、什么时候采集的,知道它的重量、大小、成分、矿物组成等,对采样地点的地质背景等相关信息都有完整的描述。

  不同的月球岩石,来自于月球上的不同地区,蕴含着不同的月球信息。科学家会把它们切成薄片,在显微镜下观察,并进行微量元素和主量元素的分析,进行矿物组成的分析,进行同位素的定年,等等。通过这些细致而全面的研究工作,我们可以知道这块岩石的类型,它的形成年代,代表了当时什么样的形成环境。所以,从地质学家的角度来看,更喜欢月球的岩石,而不是月球的土壤。因为月球上同一个地方的土壤成分相对均一,所以只要有一个样品就够了,但每一块岩石都有独特的信息。

  月球样品中颗粒直径大于1厘米的石块,都会被当做岩石来研究。直径小于1厘米被当做月壤进行研究。月壤中颗粒直径更细的物质,还会被当做月尘进行研究。

  月球的岩石类型,要比地球上简单得多。月球上岩石基本上都是岩浆岩,因为它没有河流的搬运作用,所以也就没有沉积岩。它也没有高温高压的过程,所以也没有变质岩。月球上的岩石主要分为三大类,首先是斜长岩,主要分布在月陆地区,斜长岩的主要成分是铝和钙的硅酸盐,铝和钙组成了浅色的矿物,所以月陆的表面反射太阳光的能力较强,看起来比较明亮。月球上颜色比较深的地方叫月海,月海中分布的主要是玄武岩,这种岩石里面铁镁质的矿物含量比较高,所以看起来颜色偏黑。第三类岩石叫角砾岩,这种岩石里既有斜长岩的碎片,又有玄武岩的碎片,是因为微陨石的撞击产生的高温,把周围的岩石碎片熔融、黏结在一起,形成的一种新的岩石类型。

  第二讲 月壤中藏着很多秘密

  整个月球表面都覆盖着一层厚厚的月壤,不同的地方厚度也不同。月陆地区形成的历史更古老,月壤厚达8-10米;月海地区形成的年代相对较新,月壤厚度约为3-5米。

  人类将来要利用的月球资源,其实都蕴含在月壤里。月壤就像地球上的一些粉尘,去过沙漠你就知道,脚印踩上去之"后,边缘很快就塌掉了,因为砂砾之"间的摩擦力很小,很难保持稳定的形状。但如果把沙子里掺上水,脚印就特别清晰,这是因为沙子之"间的黏结力增强了,能够保持一定的形状。

  在月球上踩下的脚印,就像在潮湿的沙滩上踩下的脚印。月球土壤是小天体和陨石撞击月球表面的岩石粉碎形成的,跟地球土壤由岩石风化、风沙和泥沙搬运,使得土壤颗粒相互摩擦变圆的方式不同,月壤颗粒棱角突出,呈多边形,颗粒之"间的摩擦力很大。所以,月球表面的月壤一旦压实成型,比较容易保持原来的形状,这是月球土壤和地球土壤的差别。

  月球上只有黑白灰三种颜色,没有彩色,但是月壤中却发现了一些绿色的、橘黄色的玻璃珠,可能是火山喷发形成的火山玻璃。通过对这些颗粒的研究,可以了解火山形成的过程,还能知道如何开发和利用这些月壤。

  在美国休斯敦航天中心,我曾经亲眼看到月壤样品,触摸过月球岩石。在北京的一次国际学术交流会上,我有幸亲手触摸到了来自月球的土壤。当时,我手上拿着阿波罗登月采集的一罐月壤,它被密封在一个小罐子里面,我手上拿一根磁铁。当磁铁移动的时候,有一团月壤跟着磁铁一起移动。这就说明,月壤种含有单质的纳米铁,产生了很强的磁性,这是月壤的第二个重要性质。

  纳米铁是怎么形成的?这非常有意思。月球上是真空,小行星、微陨石撞击月球表面之"后,月壤中含有的氧化亚铁,跟来自太阳风的气体进行氧化还原反应,被还原成纳米级的单质铁。与地球上不同,这些单质铁在月壤中可以稳定存在。如果将来有能力在月球上选矿的话,用磁力分选的方式,就可以把这些纳米铁收集起来,加工成一些金属材料,而不必从地球上带过去。

  第三讲 月壤的研究为何重要?

  我们来看月球的土壤结构:表面有一层1-2厘米厚的月尘;然后是3-10米厚的月壤,月壤有的地方厚一点,有的地方薄一点,月壤里面其实还含有或埋有一些石块,这些石块有些大,有些小;月壤层之"下才是真正的基岩,这就是整个月壤的结构,跟地球上的土壤结构非常相似。

  月壤和月尘的研究为什么重要?我们知道,太阳会“刮”出太阳风,在太空里穿行,因为月球没有磁场,所以太阳风直接注入了月球的土壤和尘埃里。每一颗月壤颗粒、尘埃颗粒,都长时间饱受太阳风的侵袭。太阳耀斑产生的各种各样的高能粒子,也会注入月尘和月壤的颗粒里面去。还有来自于遥远的银河宇宙线,是非常高能的一些粒子,能够注入更深的深度,在月壤颗粒里留下深深的痕迹。

  此外,月球还要遭受各种各样的陨石、微陨石的撞击,撞击过程会产生高温高压和熔融,一部分物质会气化,逃离月球。

  所以每一颗月壤颗粒都是月球遭受各种境遇的记录,它受撞击的历史,被熔融的历史,遭受太阳风注入的历史,遭受银河宇宙线作用的历史,这些历史都会被记录在月壤颗粒里面,研究它当然会获得很多宝贵的信息。

  第四讲 月尘的影响和威胁

  最初,人类并不知道月球上有月尘,美国宇航员最早在月球上空飞过的时候,在地平线上看到了一团亮光,他们推测,那个地方可能有一些尘埃在散射太阳光,就跟我们在地平线上看到的一团亮光,实际上是地表的尘埃在散射太阳光,这就是月尘。宇航员手绘了他们看到的样子,把这种现象称为喷泉,就像喷泉的样子。

  有了月球样品之"后,在显微镜下观察发现,月尘非常细,粒度只有20微米以下,甚至还要小得多。对在月球表面工作的宇航员有很大的威胁。阿波罗登月的时候就碰到一些问题,比如,拍到的照片非常模糊,宇航员不得不拿手去擦镜头,把灰尘擦掉。

  宇航员登陆月球之"后,回到登月舱的时候,宇航服上、靴子上都会沾染上月尘,月尘带有静电、具有黏附性,沾在身上之"后很难掉下来。有些月尘会进入呼吸道,就跟我们吸入PM2.5一样,我们说的PM2.5,其实是2.5微米的颗粒直径,月尘的颗粒里有很多PM2.5,但它跟地球上的PM2.5不一样,因为它有毒性,能侵入人体,进入呼吸道,在肺部会沉积,严重威胁人体健康,所以必须认真对待。就像阿波罗17的宇航员说的那样,(他们)能够克服月球上的所有问题,除了月尘。

  我曾经和医学专家合作,拿小鼠来做实验,把模拟月尘注入到小鼠的肺内之"后发现,小鼠的呼吸系统出现问题。所以,月尘会对人的生理和心理都产生危害。

  月尘颗粒虽然非常细,但是它非常尖锐,就像极细的玻璃渣。月尘颗粒进入宇航服的关节部位,导致面料磨损,宇航服漏气。一旦漏气就会缩短宇航员的月面停留时间,威胁他们的生存。

  月尘也会积累在科学仪器的表面,因为月尘吸收热量的能力,跟仪器吸收热量的能力是不一样的,所以会对航天器的散热过程、热量管理、温度控制产生重要的影响。月尘覆盖在仪器仪表上面,使读数困难。月尘甚至会影响宇航员在月面的安全行走。曾经有一条电缆被月尘覆盖后难以看到,宇航员行走时没有注意到脚下的电缆被绊倒了。要知道宇航员穿着上百斤重的宇航服,一旦摔跤是非常危险的,所以必须慎重对待月尘。

  第五讲 为何要研究模拟月壤?

  阿波罗计划的教训,是因为人类对月球表面的了解非常有限,对月壤的特性、月尘的影响缺少了解,航天器发射之"前在地面上缺少分析测试和深入研究,使真正执行登月任务时面临意外情况。如何避免意外的发生,就需要研制模拟月壤和模拟月尘,加深对月面环境的理解。

  研制模拟月壤,需要在地球上寻找跟月壤和月尘成分相近的物质,这些物质是地球上的天然岩石和矿物。经过加工之"后,模拟月壤与真实的月壤具有相似的颗粒形状和大小,具有相似的物理性质,可以用它来替代真实的月壤进行科学研究。

  比方说,月球车在模拟实验场进行测试的时候,就要用模拟月壤来铺设一个实验场;着陆器登陆月球的实验,就要用模拟月壤来进行实验;利用月壤生产氧气的实验,是要消耗月壤的,但是真正的月壤非常珍贵,不可能用来实验,就需要用模拟月壤来代替。模拟月壤的目的,是通过实验了解月球探测面临的问题,以及未来在月球上生存需要解决的资源利用问题。

  第六讲 月球将成为一个永不坠落的天然空间站

  中国探月工程已经圆满收官,下一步努力的目标就是登月和月球驻留。所以,“绕、落、回”三步走已经实现,“探、登、驻”三个阶段的登月和驻月正在路上。

  接下来,还会在月球上建立无人科考站,开始载人登月;然后是建立有人值守的月球基地,再从月球出发,去往更遥远的火星。只有当人类在地球和月球之"间能够来去自如的时候,从地球出发移民火星的时间也就不远了。

  月球是离地球最近的自然天体,也是地球唯一的天然卫星,中国人对月亮充满了感情,在中国人的叙事中,月亮是一个温暖的故乡,我们有很多关于月亮的神话故事、诗词歌赋,比如,嫦娥奔月、吴刚伐桂、玉兔捣药、蟾宫览胜……未来二三十年内,中国人将从地球出发,在月球上建立永久的基地,这个基地可能是小规模的。然后,月球基地会作为人类走向深空的中转站和跳板,月球将会成为一个永不坠落的天然空间站。

  从月球上可以观测星空,成为一个天文研究基地;可以从月球上监测地球,成为一个对地监测站;还可以了解月球跟地球之"间的差异,以更好地理解我们的家园——地球。