■文/鄭永春

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員、中國科普作家協(xié)會(huì)副理事長

2020年12月19日，國家航天局正式向中國科學(xué)院移交了“嫦娥五號”從月球上采集回來的1 731克月壤和巖石樣品，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)建設(shè)了月球樣品實(shí)驗(yàn)室，專門用來保存、分配這些月壤和巖石，并組織科學(xué)家開展深入的科學(xué)研究。

科學(xué)家為什么要登月“挖土”？月壤和地球土壤有何不同？為何要研究月壤？本期，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員鄭永春將帶我們一一解開這些謎團(tuán)。

2020年12月17日，“嫦娥五號”返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸

受贈(zèng)1克月球樣品，中國向月球挺進(jìn)

上一次的月球采樣，已經(jīng)是半個(gè)世紀(jì)以前的事情了。1969—1972年，美國“阿波羅”計(jì)劃共采回了381.7千克月球樣品。1978年，為了向中國表示禮節(jié)性的友好，美國總統(tǒng)特使訪華時(shí)，贈(zèng)送中國1克月球樣品作為國禮。

對這1克月球樣品，以歐陽自遠(yuǎn)院士為代表的中國科學(xué)家竭盡全力，用其中的0.5克進(jìn)行了集中研究，發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，得到了關(guān)于月球、月壤、月巖的一些認(rèn)識，也奠定了中國探月工程的基礎(chǔ)。歐陽自遠(yuǎn)院士說：“就是從美國贈(zèng)送的這僅僅1克重的月球樣品開始，中國開啟了向太陽系星辰大海的挺進(jìn)。”因此，我們更應(yīng)該向那些在0.5克月球樣品上做研究的科學(xué)家致敬。

美國贈(zèng)送的1克月球樣品，其中0.5克被用來做實(shí)驗(yàn)

知識鏈接月球樣品分類

直徑大于1厘米的顆粒，被當(dāng)作巖石樣品進(jìn)行研究，稱為月巖；直徑小于1厘米的顆粒，稱為月壤；月壤中直徑更小的顆粒，會(huì)被當(dāng)作月塵進(jìn)行研究。

中國的探月工程在20世紀(jì)90年代開始論證，然后逐漸積累。2004年農(nóng)歷大年初二，中國探月工程立項(xiàng)。2007年10月，發(fā)射了“嫦娥一號”衛(wèi)星；2010年10月，發(fā)射了“嫦娥二號”衛(wèi)星；2013年，“嫦娥三號”和“玉兔號”月球車登陸月球正面；2019年1月，“嫦娥四號”著陸器和“玉兔二號”月球車成為人類歷史上第一個(gè)登陸月球背面的航天器。隨著“嫦娥五號”帶著月壤和巖石樣品返回地球，中國航天人通過16年的努力，完成了探月工程“繞、落、回”三步走的目標(biāo)。

有同學(xué)可能會(huì)說，美國已經(jīng)采了381.7千克月球巖石和土壤樣品，我們的1 731克月壤和巖石樣品是不是少了一點(diǎn)？但是，對于月球樣品來講，多少不是問題，因?yàn)楝F(xiàn)在的分析技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)了，儀器的高精尖程度比50年前有了巨大的進(jìn)步，不用說1 731克，即便是其中1/10的樣品，就已經(jīng)可以滿足所有的分析需求了。從科學(xué)家的角度出發(fā)，我們更希望從月球上的不同地區(qū)采集多樣化的月壤，因?yàn)椴煌貐^(qū)的月壤中含有不同的信息。

月壤長什么樣兒

整個(gè)月球表面都覆蓋著一層厚厚的土壤，月壤的表面形態(tài)幾乎完全是由撞擊作用塑造的，大塊的基巖在小天體的撞擊之下，被不斷地打碎、混合、翻動(dòng)，最終在月球表面形成了這層細(xì)膩的砂土層。它看起來像一層細(xì)細(xì)的水泥，平均粒徑為100微米，厚度為幾米到十幾米，主要由橄欖石、輝石、鈦鐵礦、斜長石等礦物質(zhì)和膠結(jié)質(zhì)的玻璃組成。不同的地方厚度也不同，月陸地區(qū)的歷史更古老，月壤厚達(dá)8～10米；月海地區(qū)形成的年代相對較新，月壤厚度為3～5米。

去過海邊的同學(xué)知道，腳踩在沙灘上，腳印邊緣很快就塌掉了，因?yàn)樯车[之間的摩擦力很小，很難保持穩(wěn)定的形狀。但如果海水打來，沙子變濕，腳印就特別清晰，這是因?yàn)樯匙又g的黏結(jié)力增強(qiáng)了，能夠保持一定的形狀。航天員在月球上踩下的腳印，就像在潮濕的沙灘上踩下的腳印。月壤是小天體和隕石撞擊月球表面的巖石粉碎形成的，跟地球土壤由巖石風(fēng)化、風(fēng)沙和泥沙搬運(yùn)，使得土壤顆粒相互摩擦變圓的方式不同。月壤顆粒棱角凸出，呈多邊形，顆粒之間的摩擦力很大。所以，月球表面的土壤一旦壓實(shí)成形，比較容易保持原來的形狀，這是月壤和地球土壤的差別。

月球上只有黑、白、灰3種顏色，沒有彩色?？墒?，在1972年的“阿波羅17號”任務(wù)中，發(fā)現(xiàn)了橙色月壤。之所以呈現(xiàn)這種顏色，是由月球早期火山噴發(fā)形成的微小橙色玻璃珠造成的。

在北京的一次國際學(xué)術(shù)交流會(huì)上，我有幸看到了月壤。當(dāng)時(shí)，它被密封在一個(gè)小罐子里，我手上恰巧拿著一根磁鐵。奇妙的是，當(dāng)我移動(dòng)磁鐵時(shí)，有一團(tuán)月壤跟著磁鐵一起移動(dòng)。這說明月壤中含有單質(zhì)的納米鐵，產(chǎn)生了很強(qiáng)的磁性。

美國“阿波羅17號”帶回的月壤“樣品74220”

一團(tuán)月壤跟著磁鐵移動(dòng)

知識鏈接：月壤的主要成分

月壤能種農(nóng)作物嗎

同學(xué)們或許會(huì)問：月壤能種菜、種水稻嗎？月球上沒有水、空氣和微生物，月壤中不含任何有機(jī)養(yǎng)分，而且非常干燥。因此，無論是種菜還是種水稻都不行。

也許有同學(xué)會(huì)納悶：既然都不能種菜，那研究月壤有什么意義呢？我們知道，太陽會(huì)“刮”出太陽風(fēng)，在太空里穿行。因?yàn)樵虑驔]有磁場，所以太陽風(fēng)直接注入了月球的土壤和塵埃里。每一個(gè)月壤顆粒、塵埃顆粒，都長時(shí)間飽受太陽風(fēng)的侵襲。太陽耀斑產(chǎn)生的各種各樣的高能粒子，也會(huì)注入月塵和月壤的顆粒里。還有來自遙遠(yuǎn)的銀河宇宙線，是一些非常高能的粒子，能夠注入更深的深度，在月壤顆粒中留下深深的痕跡。此外，月球還要遭受各種各樣的隕石、微隕石的撞擊，撞擊過程會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓和熔融，一部分物質(zhì)會(huì)汽化，逃離月球。

所以，每一個(gè)月壤顆粒都是月球遭受各種境遇的記錄，月球受撞擊的歷史、被熔融的歷史、遭受太陽風(fēng)注入的歷史、遭受銀河宇宙線作用的歷史……都會(huì)被記錄在月壤顆粒里面。研究它，當(dāng)然會(huì)獲得很多寶貴的信息。

此外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，長期的太陽風(fēng)給月壤注入了大量的氦-3，這是一種未來有可能進(jìn)行熱核聚變發(fā)電的清潔能源。由于地球上有厚厚的大氣層，而且有較強(qiáng)的磁場，大部分的太陽風(fēng)都被阻擋在外，所以地球上的氦-3就很少，只有500千克左右。而研究發(fā)現(xiàn)，月壤中蘊(yùn)藏有100萬～500萬噸氦-3。而100噸氦-3創(chuàng)造的能源，就相當(dāng)于全世界一年消耗的能源總量。因此，未來人類要利用月球資源，首要的目標(biāo)也是月壤。

更重要的是，中國探月工程“繞、落、回”三步走已經(jīng)圓滿收官，但并不意味著中國探月行動(dòng)的終結(jié)，而是一個(gè)全新的開始，“探、登、駐”三大階段已在路上。探月階段完成之后，必然要進(jìn)行登月和月面駐留的工作，對月壤的研究就是為了將來更好地開發(fā)月球，將為我國科學(xué)家開展火星取樣、小行星取樣，甚至木星探測等科研工作，提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

未來月球采礦的概念圖

展覽中的低鈦模擬月壤

為何要研制模擬月壤

真實(shí)的月壤是極為珍貴的，可能只有極少部分的月壤會(huì)被拿來進(jìn)行科學(xué)研究?！鞍⒉_”登月和蘇聯(lián)無人采樣技術(shù)采回來的月壤，其數(shù)據(jù)、成分都已公布。我們通過調(diào)研中國各地區(qū)的巖石、礦物和土壤，發(fā)現(xiàn)在吉林省長白山地區(qū)有一種火山渣，成分跟“阿波羅14號”登月點(diǎn)采來的一種月壤成分相近。以這種火山渣作為初始物質(zhì)，經(jīng)過加工，然后再經(jīng)過廣泛的測試對比，我們研制成了中國首個(gè)模擬月壤國家標(biāo)準(zhǔn)樣品。

模擬月壤不只是看起來像就可以了，而是要真的跟月壤顆粒的形狀、大小、成分等相似。我們研制的模擬月壤，粉塵非常細(xì)，顆粒直徑只有幾十微米，有些甚至是PM2.5，即顆粒直徑為2.5微米，同時(shí)棱角很尖銳。當(dāng)然，這種模擬仍然是有限的，因?yàn)樗吘故窃诘厍蛏闲纬傻摹?/p>

在用真實(shí)月壤進(jìn)行分析之前，我們先用模擬月壤進(jìn)行測試。如果模擬月壤測試成功了，我們才會(huì)用真正的月壤。如果月壤進(jìn)入月球車的輪子內(nèi)部或機(jī)械設(shè)備的連接處，或者覆蓋在太陽能電池板上，就會(huì)干擾月球車和月球探測器的相關(guān)工作。如果進(jìn)入航天員的呼吸系統(tǒng)，就會(huì)對航天員的身體健康和心理感受造成損害。所以，研制模擬月壤的目的是為了深刻地理解月壤，進(jìn)而了解月球探測面臨的問題，以及未來在月球上生存需要解決的資源利用問題。

模擬月壤

模擬月球車爬坡實(shí)驗(yàn)

模擬月壤承壓特性實(shí)驗(yàn)

重要的功能之一是激勵(lì)青少年

“嫦娥五號”帶回了月壤和巖石樣品，除了科學(xué)界翹首以盼，公眾特別是青少年學(xué)生對樣品也充滿了興趣，提出了許多問題，我被問到的最有趣的問題是“月壤聞起來是什么味道”。

其實(shí)，我也不知道月壤聞起來是什么味道，即便是真正登陸月球的航天員也不一定知道。因?yàn)樵虑蛏鲜钦婵?，所以是不可能打開頭盔去聞的。一旦航天服漏氣，就會(huì)有性命之憂。帶回地球的月壤也要完全隔絕地球的大氣環(huán)境，因?yàn)橐坏┐蜷_暴露在空氣中，它就不是原來的月壤了。

但是，我推測，真正聞月壤時(shí)，應(yīng)該是一種比較刺鼻的感覺。因?yàn)樵氯乐杏袉钨|(zhì)的金屬鐵等還原性物質(zhì)，在月球的真空環(huán)境中，金屬鐵可以穩(wěn)定存在?？墒且坏┙佑|呼吸道中的氧氣，它立馬就會(huì)被氧化，可能會(huì)給我們一種類似吸入胡椒粉的感覺。

我一直認(rèn)為，月壤不僅有重要的研究價(jià)值，還有重要的科普價(jià)值和教育意義，它重要的功能之一應(yīng)該是激勵(lì)青少年從小學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)，吸引青少年選擇科學(xué)研究作為職業(yè)，成為未來優(yōu)秀的科學(xué)家和工程師。為此，我們還要圍繞月壤開發(fā)課程，提升其教育功能。