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幔游”课题组

"Rocking Mantle" Group





月壤为什么那么珍贵?

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2020年12月17日,嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆,探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功。经历了20多天的旅途往返地月,嫦娥五号为我们带回了一样特殊的“纪念品”——1731克月球样品,国家航天局将其中的100克赠送给中国国家博物馆,国博将它命名为月球样品001号。这份珍贵的展品重100克,是1731克嫦娥五号月球返回样品中的一部分。中国也因此成为世界上继美苏之后第三个完成月球取样返回的国家。

月壤为什么能引起大家的关注?它到底有什么珍贵的地方?取一份月壤到底有多难呢?这些问题都因嫦娥五号重新进入了大众的视野。


一、最早月壤的由来

上世纪60-70年代,二战后迅速发展成两个超级大国的美国和苏联将争霸目标锁定在了月球。一系列用于登陆这颗星球的黑科技被发明出来,并用于探索月球的工程实践中。在那场月球争霸赛中,美国一共带回382千克月壤和月岩,其中1972年的阿波罗17号任务中,宇航员一次就把110.5千克月球样品带回地球。相对于美国宇航员开着月球车在月球表面取样的热闹场面,利用两台“澡盆形状”的机器人精确取样的苏联则显得“彬彬有礼”了许多。完全依靠自动化完成取样返回的苏联人共为人类“月球返回样品”大家庭贡献了301克月壤。时至今日,能够独立探索地外天体依然被视作世界上科技强国的标志。

我国最早的月壤为一克。1978年5月时任第39任美国总统的吉米·卡特派遣国家安全事务助理布热津斯基访华,意在打破当时中美两国隔阂的局面。此行除了将一面据说被带上过月球的五星红旗,还有重1克由阿波罗17号登月宇航员采到的月岩赠送给中国政府。这份珍贵的样品后被分成两部分,其中0.5克用于科普被北京天文馆收藏,我国的天体化学家欧阳自远院士则将另外的0.5克用于科学研究,并拉开了中国人月壤研究的序幕。


二、月壤的起源与组成

月球作为地球的卫星使地球免受宇宙中小天体的威胁而功不可没。月球表面也因此变得凹凸不平,形成许多由于陨石撞击而形成的环形坑地貌。根据月球采样的实验室研究结果和环绕月球的轨道探测器的遥感数据解译,现今的月球表面月壤平均厚度为4到5米。形成这样的厚度,科研人员们猜测其起源主要有以下两种:

松散粘性土假说:由于在真空条件下尘埃粒子表面没有氧化膜,所以需要考虑尘埃粒子接触处的粘性。月球表面月壤结构松散,在上层月壤重力和陨石频繁撞击的影响下,越往深处月壤越密实。

大块矿物构成月壤:月貌是由于陨石撞击而形成的。在陨石撞击过程中形成了大量的碎屑物质层,这种物质层在撞击坑坑唇附近的厚度为10米-100米,在撞击坑之间区域的厚度达到1m。在这种情况下,月壤表层是由松散多孔的物质构成,这些物质是由陨石频繁撞击产生的。


月球表面没有地球上的风化和流水侵蚀作用。由于没有浓密大气层保护,月面的物质完全暴露在太阳辐射面前。宇宙高能辐射及太阳风粒子的不断撞击、巨大的月球昼夜温差等因素加速了月球表面岩石的碎化。伴随着月壳地质活动,经过亿万年演化,月球表面覆盖了厚厚的尘埃,从而形成了月壤。

与地球上大部分富含微生物和水分的“土壤”不同,月壤干燥而成粉末状。根据阿波罗系列探测任务、月球探测任务、嫦娥探月计划得到的数据分析结果,月壤及月岩的化学组成主要是硅、镁、铝、钙、铁、锰、镍等14种元素的氧化物。月壤的密度约每立方厘米1.5克,月壤中的矿物碎屑主要为橄榄石、斜长石、辉石、钛铁矿、尖晶石、玄武岩、斜长岩、橄榄岩、苏长岩、角砾岩碎屑、熔融岩、微角砾岩、撞击玻璃、火成碎屑玻璃等看似简单的月壤其化学成分、岩石类型和矿物组成非常复杂。长期的太阳风给月壤注入了大量的氦三,这是一种未来有可能作为热核聚变的清洁能源。由于地球有厚厚的大气层及较强的磁场所以土壤中的氦三含量很少。据研究,月壤中含有100万到500万吨的氦三储量是地球土壤氦三含量的千百万倍。100吨的氦三创造的能源相当于全世界一年消耗的能源总量。并且对月壤的研究很有可能改写月球的演进史。


三、月尘对探索月球的影响

月尘是月壤的主要成分。月尘一般直径约10微米,就是这样小的粗糙尘埃却会对宇航员及深空探测设备的供电及机械构件造成长期不可逆转的影响:由于月尘的附着及黏滞特性,宇航员所穿戴的宇航服关节部位可能出现活动困难;月球车动力及机械臂连接部会因大量带静电月尘的附着而失灵;绕月飞行的轨道探测器太阳能电池帆板因长期与大量月球尘埃碰撞摩擦而使其功率受到较大影响。

月尘以不仅在微观,而更多表现在宏观方面的作用方式影响着人类开展月球探测的节奏。不仅如此,月尘在月球物理场及地质学研究中也正在扮演着“示踪体”的重要角色。由于月尘在月球表面的广泛而多层分布的特性,科研人员得以利用这类特性来构建诸如:月球静电场分布、月球局部磁场特性、月球大气密度及分布等“隐形”月球物理场模型


部分来自:数学科技馆