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        研究月壤,為登月和駐留作準備(上)

        2021-06-11 15:36:01鄭永春
        中國科技教育 2021年1期
        關鍵詞:月壤嫦娥月球

        鄭永春

        2020 年12 月17 日凌晨1 時59 分,“嫦娥五號”返回器成功著陸內蒙古四子王旗預定區(qū)域,標志著我國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成,探月工程圓滿收官。中國國家航天局12 月19 日正式向中國科學院移交了本次從月球上采集回來的1 731 克月球土壤和巖石樣品,國家天文臺建設了月球樣品實驗室,專門用來保存分配這些月球土壤和巖石,并組織科學家開展科學研究。

        月壤再臨地球

        科技的大廈不是一天建成的,而是要長期地積累。上一次的月球采樣,已經是半個世紀以前了。1969—1972 年這短短的3 年間,美國共有12 名宇航員登陸月球,采集了381.7 千克月球巖石和土壤回到地球,這就是著名的阿波羅計劃。1976 年,美國送給中國1 克月壤作為國禮。這1 克月壤,以歐陽自遠院士為代表的中國科學家對其中的0.5 克進行了集中研究,發(fā)表了很多學術論文,得到了關于月球的一些認識,也奠定了中國探月工程的基礎。另外的0.5 克月壤則被保存在北京天文館進行展出。

        中國的探月工程在上世紀90 年代開始論證,然后逐漸積累。2004 年農歷大年初二,中國探月工程立項。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,“玉兔二號”月球車和“嫦娥四號”著陸器,成為人類歷史上第1個登陸月球背面的航天器。隨著“嫦娥五號”帶著月壤返回地球,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。

        有人可能會說, 美國已經采了二三百千克的月球土壤,我們的1 731克月球土壤是不是少了一點?對于月球樣品來講,重量不是問題,因為現在的分析技術已經很先進了,儀器的高精尖程度比50 年前有了巨大的進步,不用說1 731 克,即便是十分之一,173 克樣品就已經可以滿足所有的分析需求了。從科學家的角度,我們更希望從月球上的不同地區(qū),采集多樣化的月球土壤,因為不同地區(qū)的月壤中含有更豐富的信息。

        科學家為何更喜歡研究月球巖石?

        阿波羅登月從月球上采集的巖石,每一塊都有獨特的編號。通過編號,可以追溯它是哪次任務、什么時候采集的,了解它的重量、大小、成分、礦物組成等信息,對采樣地點的地質背景等相關信息都有完整的描述。

        不同的月球巖石,來自月球不同地區(qū),蘊含著不同的月球信息??茖W家會把它們切成薄片,在顯微鏡下觀察,并進行微量元素和主量元素分析,進行礦物組成分析,進行同位素定年等。通過這些細致而全面的研究工作,我們可以知道這塊月巖的類型、形成年代,以及當時的形成環(huán)境。所以,從地質學家的角度看,更喜歡月球的巖石,而不是月球的土壤。因為月球上同一個地方的土壤成分相對均一,但每一塊巖石都有獨特的信息。

        那我們開展科學研究時,如何區(qū)分月巖、月壤、月塵呢?

        月球樣品中顆粒直徑大于1 厘米的石塊,都會被當作巖石研究。直徑小于1 厘米,被當作月壤進行研究。月壤中顆粒直徑更細的物質,會被當作月塵進行研究。

        月球的巖石類型比地球上簡單得多。在月球上,巖石基本上都是巖漿巖,因為它沒有河流的搬運作用,所以也就沒有沉積巖。它也沒有高溫高壓的過程,所以也沒有變質巖。月球上的巖石主要分為三大類:首先是斜長巖,主要分布在月陸地區(qū),斜長巖的主要成分是鋁和鈣的硅酸鹽,鋁和鈣組成了淺色的礦物,所以月陸的表面反射太陽光的能力較強,看起來比較明亮。月球上顏色比較深的地方叫月海,月海中分布的主要是玄武巖,這種巖石里鐵鎂質的礦物含量比較高,所以看起來顏色偏黑。第三類巖石叫角礫巖,這種巖石里既有斜長巖的碎片,又有玄武巖的碎片,這是因為微隕石的撞擊產生的高溫,把周圍的巖石碎片熔融、黏結在一起,形成了一種新的巖石類型。

        月壤中藏著的秘密

        整個月球表面都覆蓋著一層厚厚的月壤,不同的地方厚度不同。月陸地區(qū)歷史更古老,月壤厚達8 ?10 米;月海地區(qū)形成的年代相對較新,月壤厚度約為3 ?5 米。

        人類將來要利用的月球資源,其實都蘊含在月壤里。月壤就像地球上的一些粉塵,去過沙漠的人知道,腳印踩上去之后,邊緣很快就塌掉了,因為砂礫之間的摩擦力很小,很難保持穩(wěn)定的形狀。但如果沙子里摻上水,腳印就特別清晰,這是因為沙子之間的黏結力增強了,能夠保持一定的形狀。

        在月球上踩下的腳印,就像在潮濕的沙灘上踩下的腳印。月球土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化、風沙和泥沙搬運,使得土壤顆粒相互摩擦變圓的方式不同,月壤顆粒棱角突出,呈多邊形,顆粒之間的摩擦力很大。所以,月球表面的月壤一旦壓實成型,比較容易保持原來的形狀,這是月球土壤和地球土壤的差別。

        月球上只有黑白灰三種顏色,沒有彩色,但是月壤中卻發(fā)現了一些綠色的、橘黃色的玻璃珠,這可能是火山噴發(fā)形成的火山玻璃。通過對這些顆粒的研究,可以了解火山形成的過程,還能知道如何開發(fā)和利用這些月壤。

        在美國休斯敦航天中心,我曾經親眼看到月壤樣品,觸摸過月球巖石。在北京的一次國際學術交流會上,我有幸親手觸摸到來自月球的土壤。當時,我手上拿著阿波羅登月采集的一罐月壤,它被密封在一個小罐子里面,我手上拿一根磁鐵。當磁鐵移動的時候,有一團月壤跟著磁鐵一起移動。這就說明,月壤中含有單質的納米鐵,產生了很強的磁性,這是月壤第二個重要性質。

        那么,納米鐵又是怎么形成的?這非常有意思。月球上是真空,小行星、微隕石撞擊月球表面之后,月壤中含有的氧化亞鐵,跟來自太陽風的氣體進行氧化還原反應,被還原成納米級的單質鐵。與地球不同,這些單質鐵在月壤中可以穩(wěn)定存在。如果將來有能力在月球上選礦的話,用磁力分選的方式,就可以把這些納米鐵收集起來,加工成一些金屬材料,而不必從地球上帶過去。

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