美國人用月樣搞清楚了月球的起源,我們取回的月樣能幹什麼?
2020年12月02日10:35

  來源:把科學帶回家

  11月24日,嫦娥五號在海南文昌發射場順利發射升空,11月30日,嫦娥五號已經進入月球圓形軌道,將會擇機實施月面軟著陸。嫦娥五號的行蹤,為什麼會這麼引人注目呢?因為它將會執行中國首個月球采樣返回任務。換句話說,我們終於將會擁有自己的月壤和月岩標本了,這讓我們國家成為繼美國和蘇聯之後,第三個能夠執行月球采樣返回任務的國家。

嫦娥五號發射圖  圖/國家航天局
嫦娥五號發射圖 圖/國家航天局

  不過,正如前段時間中國萬米深潛器成功坐底馬里亞納海溝一樣,很多人看到的只是那個深度世界第一,深潛時長世界第一等榮譽,但是卻不知道它背後的科學意義一樣,這一次的嫦娥五號也有類似的問題。很多人都為我國的月球探測器能夠采樣返回而興奮,但是卻不知道采回來的月球樣本所代表的真正意義。

  一、研究月球演化

  月球是怎麼形成的?這個問題困擾了我們很久,不少科學家提出諸如地球俘獲說(地球引力俘獲路過的小行星)、地球分裂說(地球自轉過程中甩出一部分成為月球)等等多種說法。但是一直到阿波羅登月後,人們取得了大量月球岩石與土壤的樣本,通過對這些樣本的分析,才最終提出一個目前被主流所接受的說法:小行星碰撞說。

地球與“忒伊亞”碰撞想像圖  圖/Wikipedia
地球與“忒伊亞”碰撞想像圖 圖/Wikipedia

  這個理論認為,在地球形成後不久,地球被一顆大小與火星相似的小行星“忒伊亞”撞擊,在這次撞擊中,“忒伊亞”整體被撞碎,地球的一部分地幔物質也被撞飛,同時“忒伊亞”的金屬核心融入地核中,這些被撞飛的地幔物質和“忒伊亞”的地幔物質則在宇宙中圍繞地球運動,並最終碰撞融合到一起,於是就形成了月球。

月球形成  圖/BBC視頻
月球形成 圖/BBC視頻

  這個理論的提出,就得益於來自月球岩石樣本的數據。科學家們在分析了月球樣本後,發現地球和月球具有完全一致的氧同位素組成,這在地球與其他類地行星上並未出現過,說明地球與月球的物質曾經發生過充分的混合;此外,還通過地月岩石樣本的對比後發現,地球的化學元素中,矽元素出現了不正常的虧損狀態,而月球的化學元素中則缺少鑭系元素Eu,矽是一種造岩元素,很容易富集於地表岩石中,撞擊導致的地表岩石破裂和飛出才能導致矽元素的消失,而只有當月球主要成分源於其他行星的時候,Eu才會出現缺失的現象。

來自月球的岩石樣本  圖/Wikipedia
來自月球的岩石樣本 圖/Wikipedia

  這種月球起源理論的提出,主要原因就是因為美蘇冷戰期間美蘇兩國都曾經多次取回月球樣本,因此讓美國及其歐洲盟友在這些科學領域上領先於世界。

  但是月球的起源還有許多未曾解決的問題,同時月球在形成後的數十億年間又經曆了長期的小行星撞擊與多期次的岩漿活動。不過由於人類在月球的探索依然有限,所以我們對月球本身的演化曆程依然還不甚瞭解,尤其是對於月球從30億年以來的演化情況不甚清楚。長久以來,我們中國人研究月球的地質演化基本上只能通過撞擊坑的疊置關係以及國外的月球數據來進行,但是從中國的登月計劃開始實施以來,我們逐漸有了豐富的月表探測數據,在這次嫦娥五號所要登陸的風暴洋呂姆克山,我們也可能采回月球在大約11億年前的岩漿活動中所形成的岩石,這些對於我們研究月球的演化歷史無疑具有很重要的作用——往淺處說,能夠讓我們在月球演化領域領先於西方,往深處說研究月球演化是揭示類地行星起源和演化的關鍵,也是我們開拓星辰大海的出發點。

從阿波羅號看呂姆克山  圖/Wikipedia
從阿波羅號看呂姆克山 圖/Wikipedia

  二、月球開發

  月壤位於月球的最表層,是本次采樣的重點。月壤與地球的土壤截然不同,地表的土壤是地表岩石受到風霜雨雪等的風化作用後破碎成為沙粒,這些沙粒與死亡生物的有機質混合所形成的物質。但是月壤則主要是由小行星撞擊月面以及在真空中由溫差等因素風化所致。

阿波羅計劃中收集月壤的宇航員  圖/NASA
阿波羅計劃中收集月壤的宇航員 圖/NASA

  研究這些月壤,一方面能夠揭示出在月球上發生過的隕石撞擊事件的細節,另一方面則能夠為我們揭示在空間中的物質經曆空間風化(溫度、太陽風、宇宙射線等等的破壞作用)的過程,為將來的星際建築和設備抵禦空間風化做準備;另外,更為細小的月塵則容易漂浮,在月球條件下,月塵的漂浮會導致宇航員視覺模糊、探測器光學元件汙染、能源與熱控系統衰退、機械磨損和故障等,研究這些物質也能夠為將來的月球探測工作和月球基地建設工作提供防塵的方案。

  此外,在阿波羅計劃以及蘇聯的Luna計劃中都對月表礦物進行了研究,目前在月表不同區域內發現了不少水冰、氦-3、鈦鐵礦、克里普岩(能夠提煉出稀有元素)以及其他大量金屬與非金屬資源。這些資源,尤其是氦-3資源一度引起人們的關注,因為這是一種極為重要的核聚變原料。許多人就曾經暢想,有了月球的氦-3,地球幾百年上千年內的能源問題都要解決,不過我要潑冷水了,醒醒吧,地球上商業核聚變都還差著五十年呢!現在要這些氦-3有何用?

  對於月球資源利用的第一步可能並不在於對於月表礦物諸如氦-3的提煉之類,而很可能在於對月表環境資源的利用(月球環境的優勢在於長晝夜、溫差大、長光照、高真空、強輻射等)、對於水冰區域的開發以及對於月壤月塵的使用。

  月壤和月塵可能是一種非常好的粉塵物質,能夠用於3D打印或者是直接作為建築材料,如果能夠對它們進行深入研究,可能能夠設計出相應的工藝來加快建設月球基地。

月球表面的長光照、高真空以及月壤可能才是第一步要利用的資源  圖/NASA
月球表面的長光照、高真空以及月壤可能才是第一步要利用的資源 圖/NASA

  可能要等待月球基地的建立之後,我們才會提出月球採礦的需求來,而在這之前,對於月壤的研究無疑能夠有助於基地的前期建設工作。

  三、追趕

  現代科學都起源於西方,這些現代科學在西方的應用甚至一度給中國帶來屈辱和災難。

  自從新中國建立起來之後就一直在追趕西方人的腳步,就從探月這件事情來說,中國人研究地外天體的起點其實起源於隕石,通過這些隕石的研究初步培養出了一些專業的人才,而在這時候美國和蘇聯已經登月了。

 1976年吉林隕石雨事件中蒐集到的隕石總重約2噸,搜尋隕石,研究隕石,是我們國家地外研究的起點,圖中隕石展出於吉林市博物館  圖/科普中國
 1976年吉林隕石雨事件中蒐集到的隕石總重約2噸,搜尋隕石,研究隕石,是我們國家地外研究的起點,圖中隕石展出於吉林市博物館 圖/科普中國

  到了上個世紀70年代末期,中國人才開始通過跟蹤國外登月成果,翻譯、總結這些資料後出版了中國自己的相關教材;70年代末期,美國總統卡特給中國送了1g月樣,其中0.5g放進了博物館,另外0.5g才能夠進行研究使用,在當時,中科院地球化學研究所、中科院原子能研究所、中科院原子核研究所、中科院長春應用化學研究所、中科院高能物理研究所、冶金工業部昆明冶金研究所、石油工業部上海石油化工廠等多個部門就硬生生利用這0.5g月樣進行了10餘項項目的研究,併發表了數十篇論文。

  在幾十年間,我們都在默默進行月球探測的的科學準備,儘管那時候看上去西方人的一騎絕塵,彷彿永遠無法超越。一直到2004年,國家才批準立項進行月球探測,此後從嫦娥一號到現在的嫦娥五號,我們的腳步緩慢而堅定,一直到現在嫦娥五號即將登陸月球的時候,我們回過頭來才發現,哦,我們已經差不多跟西方處於同一水平線了!

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