嫦娥四号“挖月三尺” 月亮上的土壤里有哪些秘密?

出品:科普中国

制作:林杨挺(中国科学院地质与地球物理研究所)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2019年1月3号,我国嫦娥四号探测器成功着陆月背,成为了人类历史上首个在月球背面软着陆巡视探测的航天器,掀起了月球另一面的神秘面纱。

△图1. 嫦娥四号着陆月面(动图,素材来源见水印)

在记录嫦娥四号着陆过程的视频中,我们可以清楚看到着陆瞬间着陆器正下方被吹跑的尘土(图1);玉兔二号月球车缓缓从着陆器驶下,开始了在月球背面的巡视探测,在月球背面刻下了第一道醒目的车辙(图2)。

△图2. 玉兔二号倩影和月表上的车辙(图片来源:中国国家航天局)

这条车辙已长达600多米,还在随着玉兔的脚步不断向前延伸。从视频和照片中我们可以看出,月球的表面不是坚硬的岩石,而是覆盖了一层松散的土壤,科学家称之为“月壤”。

月壤是如何形成的?与地球土壤有何不同?我们为什么要费这么大劲去研究月壤,又如何研究月壤呢?

月壤与地球土壤有何不同?

网上有个很有趣的问题,“当年各国收到美国赠送的月壤后,是如何确认月壤真的来自月球的?”

△图3.问题描述(图片来源:知乎)

从嫦娥四号的着陆视频中,大家很难看出月壤与地球土壤的不同,但其实只要对月壤样品进行研究,就会发现它们差别很大。

人类目前拥有的月壤,均来自9次任务。阿波罗登月计划的6次任务,一共从月球正面的6个不同地点采集并带回了382公斤的月球样品,其中约1/3是月壤;苏联的3次月球号任务,也采回了300克左右的月壤样品。

通过对这些样品的研究,科学家们发现,除了粒度都很细小之外,月球与地球上的土壤有很大的差异。

地球上的土壤大家都很熟悉,是一层疏松的物质,是由岩石风化形成的细粒矿物质,添加了有机质和水,含有微生物等。地球上土壤的形成,除了化学、物理作用之外,生物的活动是其最重要的特征。此外,我国西北地区广泛分布的黄土,是一种比较特殊的土壤,主要由风力搬运、沉积形成。黄土逐年堆积,因此还记录了长达200多万年的气候变化历史。

月球没有大气、没有水、更没有生物。那么月壤又是怎样形成的?

由于没有大气,月壤被直接暴露在太阳辐射和微陨石的轰击之下,组成和物理性质发生改变,科学家们将这个过程称为“太空风化”,从而与地球上在大气、水和生物共同作用下的“地表风化”相区别。

月壤的形成过程没有生物活动参与,没有有机质,还极度缺水干燥;组成月壤的矿物粉末基本是由陨石撞击破碎形成,因此,粉末颗粒的锐角十分锋利。

不仅如此,月球没有磁场保护,太阳风(主要由氢离子等组成)会注入到粉尘颗粒表面,将矿物中的二价铁离子还原成纳米金属铁微粒,从而改变其电磁特征、光谱特征(颜色)等。

另外,月球表面经常被陨石以每秒10多公里的速度撞击,巨大的能量会使月表一部分物质熔融,形成玻璃,还有一部分物质气化,再重新凝结,成为月壤组成的一部分。

所以,想用地球土壤“冒充”月壤,几乎是不可能的。

有读者可能会产生疑问,月壤只不过是月球表面的尘土,为什么还要研究它呢?其实,研究月壤不仅对探月非常重要,还能帮助我们了解太阳系、了解地球。

要想探月,必须研究月壤

可以这么说,月壤对于探月工程的实施非常重要。

前面我们提到,月球表面几乎完全被月壤所覆盖。这就意味着,环绕月球轨道上的所有探测器直接探测的对象并非岩石,而是月壤。但是,由于太空风化作用,月壤的物质组成和光谱性质发生了不同程度的改变。很显然,如果不了解这种影响,得到的结果很可能存在偏差。

月壤的特点导致它对探月仪器和宇航员都形成了不小的威胁。开展无人着陆和巡视探测时,从月壤表面扬起的月尘,会覆盖在各种载荷的传感器表面,以及充填在仪器和机械的运动机构缝隙,直接对工程的实施构成安全威胁。

△图4. 宇航服上粘满月尘的阿波罗宇航员(NASA)

月表重力仅是地球重力的1/6,而且月壤颗粒的电磁性发生了改变,因此月壤的粘附力很强,宇航员出舱进行科学考察时,全身极易粘满月壤颗粒(图4)。这些月壤颗粒虽然极微细,却像刀尖一样锐利,很可能给宇航员的安全带来重大威胁。

因此,对月壤的认识和研究是月球探测,以及未来建立月球基地、利用月球等不可或缺的基础。

月壤还是未来月球资源的首选利用对象

除了对探月工程意义重大,月壤本身就是一种宝贵的资源。

我国已经成功实施了月球探测“绕、落、回”三步曲的前两步,今年即将完成第三步。下一阶段月球探测的新趋势,就是从相对单纯的“科学探测”向“科学与应用并重”转变,月球资源利用已成为预先研究的重要内容。

需要在月球上开采、带回地球的资源很少,最重要的是氦-3。氦-3是未来核聚变的可选燃料之一,但地球上的氦气主要是放射性元素铀、钍衰变产生的氦-4。氦-3主要存在于太阳,通过太阳风注入到月壤中(地球的磁场保护了地球,但同时也挡掉了氦-3)。因此,未来有可能从月壤中提取氦-3,带回地球供核聚变使用。

我国一直在论证嫦娥四期任务,计划在月球上建一个“基本款”科研站。月球是一个巨大无比的天然空间站,是人类深空探测的前哨站。月球资源将更多被应用于未来月球基地本身的构建和运行。例如,未来可以采用3D打印技术,利用月壤修建月球基地;从月壤中提取太阳风注入的氢,通过与钛铁矿反应生成水和金属铁;从月球南北二极永久阴影区提取凝结在月壤中的水冰等。这些重要的资源都富集在月壤中。另外,一些重要的矿物资源(如钛铁矿),从月壤中分选提取是最为经济可行的方案,能够避免开采和破碎坚硬岩石的巨大消耗。

△图5. 科幻电影中的月球基地(图片来源:《2001太空漫游》)

月壤是本书,藏着太阳、地球和月球的秘密

研究月壤的意义不止于此。

月壤中藏着太阳的秘密。由于月壤一直受到太阳的辐射,太阳的物质以太阳风的形式被注入到月壤颗粒得到保存。因此,从月壤颗粒可以提取、并分析太阳的样品。完整的月壤剖面,记录了长达30多亿年的太阳辐射历史和注入的太阳物质。

月壤中还藏着地球的秘密。月球自形成以来,一直在不断远离地球。在地质历史早期,月球远比今天更靠近地球。除了太阳风之外,月球还一直被地球风吹拂着,特别是在更早的30多亿年前。因此,月球正面的月壤还注入了来自古老地球的大气物质。科学家提出,通过比较月球正面和背面的月壤,可以识别出来自地球大气的成分,研究30多亿年前地球大气的组成和地球磁场(Ozima, et al, 2005; Wei, et al, 2020)。

最后,月壤中当然还藏着月球本身的秘密。月球表面不断受到陨石的撞击,溅射起来的物质一层一层堆积在月球表面。因此,月壤剖面记录了30多亿年以来的陨石撞击历史,而且,这段记录同样也适用于地球。与地球相比,月球是一台完美的记录仪,保存了地球-月球区域最完整的陨石撞击历史。相反,地球上的绝大部分陨石坑都被地质作用擦除了,在地球表面发现的陨石坑仅有170多个。

如果没有返回地球的样品,我们如何研究月壤?

返回月壤样品的量并不多,如果没有样品,我们还能研究月壤吗?

当然可以。

以我国的探月任务为例,嫦娥四号就带来了关于月壤的新发现。

△图6. 嫦娥四号着陆区(Zhang, et al, 2020)

嫦娥四号的着陆区位于月球南极-艾肯盆地中的冯·卡门撞击坑(图6)。南极-艾肯盆地直径约2500公里,深达13公里,打开了一扇月球内部的窗口,从而可以直接探测月球内部的物质组成。

月球车玉兔二号携带了3台重要的仪器——全景相机、探月雷达、成像光谱仪,开展了多方面科学探测,得到了大量数据。科学家根据这些数据,获得了对月球内部物质组成、早期撞击历史、岩浆喷发历史、以及月壤形成机制和太空风化特性等新的认识。

利用全景相机,科学家们获得了着陆区和巡视路线上的高分辨立体影像图。与嫦娥四号着陆区多石块的表面相比,冯·卡门撞击坑表面几乎没有石块。说明这里月壤的形成经过了很长的时间,原有的石块都被砸碎了。

探月雷达向下发射了2束电磁波,根据回波信号获得月表下的信息。频率高的一束用于探测月壤的精细结构,但能探测的深度较浅(约50米);频率低的一束用于探测月壤下面的物质和结构,探测深度约500多米。

△图7.雷达高频信号剖面(Zhang, et al, 2020)

高频雷达信号表明,这里的月壤很厚,达到了12米。作为对比,由于技术能力的限制,阿波罗计划月壤钻机只能钻取到2米左右,远比实际月壤厚度要浅。在嫦娥4号着陆区,月壤之下是从撞击坑溅射过来堆积成厚约22米的角砾岩层(图7)。

结合区域影像,雷达探测结果清晰显示,玉兔二号行走路线上的月壤主要是从冯·卡门撞击坑东北角的芬森坑抛射过来的,并不是由下面的玄武岩破碎形成。

△图8. 雷达低频信号剖面(Zhang, et al, 2020)

低频雷达信号则让我们发现,玉兔二号的巡视路径下覆盖了多次撞击事件的角砾岩,以及间隙喷发的玄武岩浆。

△图9. 玉兔二号探测的月壤和石块及其光谱(Lin, et al, 2020a)

玉兔二号月球车携带的成像光谱仪负责对月壤和石块的成分进行探测(图9)。成像光谱可以得到探测目标从0.4到2.4微米波段的反射光谱,然后解算出不同矿物的含量,发现这一地区的矿物主要是橄榄石、长石、高钙辉石和低钙辉石。但是,这一区域月壤的光谱受到强烈太空风化作用的影响,因此解算出的结果差异较大,主要反映在得到的橄榄石含量不同(Gou, et al, 2019; Huang, et al, 2020; Li, et al, 2019; Lin, et al, 2020a)。作为对比,石块的光谱受到太空风化的影响很弱。科学家从石块光谱解算出各种矿物的含量,再结合这些矿物颗粒度较细小的特点,提出了这些月表物质的形成机制,即产生南极-艾肯盆地的大撞击不仅挖掘出一个巨大的盆地,还使月球深部物质熔融,形成一个岩浆湖,然后分异结晶形成该盆地的基底(Lin, et al, 2020a)。随后,芬森坑撞击事件将这些基底岩石挖掘抛射在嫦娥4号着陆区,再经过长期的陨石撞击将大部分物质粉碎成月壤。

玉兔二号一路走来,沿途可以看到很多小撞击坑。大部分小撞击坑的表面光滑,看不到石块。但是,也发现有一些奇特的小坑,它们的表面填满了块状的物质(图10)。

△图10. 玉兔二号巡视路径上的碎石坑(Lin, et al, 2020b)

这些碎石坑是怎么形成的?雷达探测结果排除了这些碎石块是从底下挖出来的可能(Ding, et al, 2020),而光谱的探测表明,这些石块的组成与周边月壤相同(Gou, et al, 2020; Lin, et al, 2020b)。通过进一步的分析,科学家们发现,这些碎石状物质与阿波罗计划带回地球的火山玻璃和撞击熔融玻璃非常相似,根据这些研究,他们提出了月壤形成的模型(Lin, et al, 2020b)。

△图11. 月壤的形成机制(Lin, et al, 2020b)

陨石的撞击一方面使岩石破碎,另一方面也使疏松的月壤压实、部分熔融胶结成块,并被后面的撞击挖掘、抛射出去。因此,月壤的形成是一个反复破碎、压实成岩、再破碎的过程(图11)。

嫦娥五号将带我们寻觅更多月壤奥秘

嫦娥四号在月球上开展的探测卓有成效,不过,我们一直期待着能拿到更多月壤样品,在地球实验室中开展精细的研究。就在今年,嫦娥五号将帮助科学家们实现这个梦想。

嫦娥五号是我国月球探测第一阶段“绕、落、回”的最后一步,预计将从月球表面采集2公斤左右的样品返回。这也是继阿波罗计划和月球号计划之后,人类再次采集月球样品。而且,嫦娥五号的着陆区不同于以往的9个地点,返回不同的月球样品,特别是最年轻的月球火山岩,将讲述一个月球晚年的故事。任务计划在着陆地点钻取一根2米长左右的月壤岩芯,从而带回该地区10多亿年以来所发生的各种事件记录。此外,还将从表面铲取一些月壤样品,其中很可能包含了来自相当大一片区域的岩石碎片。利用现代的微区微束分析技术,科学家将解开月球10多亿年以来的火山活动和陨石撞击历史,理解这一区域火山活动持续如此之久的秘密。

航天人与科学家的脚步从未停歇,用智慧与勇气将探索之心印刻在月壤之上,相信月壤也将向我们展示更多的秘密。

参考文献:

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