封面圖源|愛給網(wǎng)

封面設(shè)計|李馨宇

1969年7月

美國宇航員阿姆斯特朗

在月球表面留下了人類的第一個腳印

圖源|網(wǎng)絡(luò)

1970年9月

前蘇聯(lián)發(fā)射的無人探測器 月球-16號

首次自動取樣 將月壤送回地球

圖源|網(wǎng)絡(luò)

又50年過后

中國的嫦娥5號

再次 從月球表面 帶回了1731克月樣

▲嫦娥五號上升器帶著樣品離開著陸器示意圖

而就在2024年6月2日

嫦娥6號成功在月球背面南極-艾特肯盆地降落

完成了人類首次月球背面的土壤采樣

并且于2024年6月25號

成功返回地球

這次 它又將會帶給人類怎樣的驚喜？

▲圖源央視新聞

人類對于月球的探索

從未停止

1978年

為了推動中美盡快建交

時任美國總統(tǒng)國家安全事務(wù)助理到訪中國

并且向中國贈送了 1g月球樣品

這塊要用放大鏡才能看清的石頭

竟然還要被分成 兩半

一半收藏在北京天文館

另外一半則供中國科學(xué)家研究

▲保存在北京天文館供公眾參觀的0.5g月巖

但就是根據(jù) 對這塊0.5克石頭的研究

中國科學(xué)家們一共發(fā)表了14篇研究文章……

為人類帶來了重要的科研成果

▲查爾斯·康拉德和比恩在月球收集了重達(dá)35公斤的月球巖石

而在美國六次登月后的幾十年間

航空航天局NASA收到了來自全世界3000多份

研究月球土壤樣品的申請

但采集的300多千克月壤對于全球的需求而言

簡直是杯水車薪聊勝于無般的存在

人類為什么要這么大費周章地跑到月球上去取樣？

今天 我們就來聊一聊這個話題

1

為什么我們要到月球采樣?

尋找完美能源

在對月壤的研究過程中

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)月壤中含有大量的氦-3

它是世界公認(rèn)的 最高效、清潔、安全的

核聚變發(fā)電燃料之一

被科學(xué)家稱作是 “完美能源”

據(jù)計算，100噸氦-3所能創(chuàng)造的能源

相當(dāng)于全世界一年消耗能源的總量

然而氦-3主要存在于太陽之中

我們自然不可能直接到太陽上去獲取

只能通過收集太陽風(fēng)輻射而來得氦-3

由于地球的磁場保護(hù)了地球 同時也擋掉了氦-3

所以氦-3在地球上的蘊藏量極少

經(jīng)探測結(jié)果表明

月球淺層的氦-3含量多達(dá) 110 萬噸！

至少可以解決整個地球一萬年的能源需求

尋找天然石墨烯

除了超級能源 氦-3

研究人員在對 嫦娥五號的月壤研究中

首次發(fā)現(xiàn)了天然形成的少層石墨烯

石墨烯，被譽為是“新材料之王”

由于優(yōu)異的 光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，

它在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面

具有重要的應(yīng)用前景

被認(rèn)為是一種未來革命性的材料

▲月球石墨烯的形成 圖源/網(wǎng)絡(luò)

研究團隊指出

少層石墨烯和石墨碳的形成

可能源于太陽風(fēng)和月球早期的火山噴發(fā)共同誘導(dǎo)的礦物催化進(jìn)程

這為我們理解月壤礦物形成提供了新的視角

尋找太陽和地球的古老秘密

月球沒有大氣層和磁場 直面太陽輻射

才能蘊含大量的太陽物質(zhì)

所以在完整的月壤剖面中

記錄了長達(dá)30多億年的太陽輻射歷史

因此研究月壤，對于研究太陽的歷史有著巨大的意義

▲美國阿波羅登月計劃

除了太陽風(fēng)之外

月球還一直被地球風(fēng)吹拂著

特別是在更早的30多億年前

在那時月球遠(yuǎn)比今天更加靠近地球

因此在月球正面的月壤

還注入過來自古老地球的大氣物質(zhì)

▲20世紀(jì)50～70年代，前蘇聯(lián)先后發(fā)射了24顆月球探測器，其月球探測方面曾一度遙遙領(lǐng)先于美國。1970年，“月球16”號探測器將0.1千克月球巖石樣品送回地球，使人類首次獲得月球表面物質(zhì)的標(biāo)本。

月球表面的土壤

就像是一本厚厚的自然歷史書

記錄下了太陽系曾經(jīng)發(fā)生過的一切

尋找隕石撞擊歷史

除此之外

月壤剖面還記錄了30多億年以來的隕石撞擊歷史

地球上的隕石坑因為地質(zhì)運動而被掩蓋

想要了解那段歷史

通過月球?qū)鞘亲詈玫姆绞?/p>

▲2004年，中國正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。

嫦娥工程分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。

2

人類從月球帶回了什么？

在月球表面的巖石中 主要分布的是

月海玄武巖

（巖漿在地表冷卻后凝固而成的一種致密狀或泡沫狀結(jié)構(gòu)的巖石）

而人類從月球采回的樣品按結(jié)構(gòu)和成因又可分為

結(jié)晶質(zhì)火成巖、角礫巖、月壤或月塵

結(jié)晶質(zhì)火成巖是月球表面或其附近

由巖漿直接結(jié)晶和固化形成

角礫巖是指其變化范圍從細(xì)粒的微角礫巖到

含有大的火成巖碎塊的碎屑巖

而月壤或月塵

是隕石體多次撞擊的產(chǎn)物

形成月球土壤的大塊基巖在小天體的撞擊之下

不斷被 打碎、混合、翻動

最終在月球表面形成細(xì)膩的沙土層

其厚度可達(dá)幾米之高

▲月球淺表的垂直分布，最上層細(xì)膩的表層就是月壤（風(fēng)化層）

地球上土壤的形成

除了化學(xué)、物理作用之外，還有大量的生物參與

而在月球表面

沒有大氣、沒有水、更沒有生物

月壤直接長時間暴露在太陽輻射和隕石轟擊之下

科學(xué)家們將這個過程稱為“太空風(fēng)化”

2013年12月14日，中國的嫦娥三號著陸器在月球表面著陸。

圖為玉兔號在月壤上留下清晰的印跡。

供圖/中國科學(xué)院▲

不僅如此

月球因為沒有磁場保護(hù)

太陽風(fēng)會注入到粉塵顆粒的表面

從而改變了它們的電磁特征和光譜特征

另外

由于月球表面經(jīng)常被隕石撞擊

所以巨大的能量會使月表一部分物質(zhì)熔融形成玻璃

還有一部分物質(zhì)會氣化，再重新凝結(jié)

成為月壤組成的一部分

所以想用地球土壤“冒充”月壤 幾乎是不可能的事

長期的撞擊累積形成的月壤▲

3

“月質(zhì)”到底研究什么?

我們將地球的性質(zhì)和特征稱為地質(zhì)

將研究地球的性質(zhì)與特征學(xué)科 稱為“地質(zhì)學(xué)”

那么，月球的性質(zhì)和特征是否該稱為“月質(zhì)”呢？

如果是這樣

研究地球性質(zhì)和特征的學(xué)科

是否也應(yīng)當(dāng)稱為月質(zhì)學(xué)呢？

沒想到我國第一個踏上月球 開展月質(zhì)工作的

居然是 嫦娥五號

它算不算是我國第一代月質(zhì)工作者呢?

至少也是我國的第一代采樣工

假如真的有一個叫"月質(zhì)"的行業(yè)

有一群往返于地-月之間

開展月質(zhì)研究的“月質(zhì)人” 那他們會研究什么呢?

▲12月2日22時，經(jīng)過約19小時月面工作

嫦娥五號完成月球表面自動采樣

研究月球起源

首先

他們當(dāng)然想要弄清楚月球是怎么形成的

月球可能形成于大約45億年前

有關(guān)它的起源有幾種說法

從地球甩出去的、被地球俘獲的小行星

或被是地球被行星撞擊

或者有人說地球和月球原本是兩個親兄弟

▲撞擊形成

到底真相如何？

或許我們都可以通過未來的

月質(zhì)工作 來獲取答案

研究月球的結(jié)構(gòu)

月球內(nèi)部構(gòu)造和地球一樣

月球也有殼、幔、核等分層結(jié)構(gòu)

月殼平均厚度約為60-64.7公里

月殼下面到1000公里深度是月幔

它占了月球的大部分體積

▲月球內(nèi)部構(gòu)造示意圖

月幔下面是月核 月核的溫度約為1000~1500℃

所以很可能是熔融狀態(tài)的

據(jù)推測其大概是由Fe-Ni-S和榴輝巖物質(zhì)構(gòu)成

月球表面有陰暗的部分和明亮的區(qū)域

亮區(qū)是高地，稱為“月陸”

暗區(qū)是平原或盆地等低陷地帶，稱為“月?！?/p>

月陸是月球上最古老的地理單元

占據(jù)了月球表面的絕大部分

形成年齡比地球最古老的巖石和月海玄武巖都還要老

▲Eleanor Lutz繪制的月球地質(zhì)圖

月球山脈主要分布在月球的正面以及背面月海的邊緣

最大的山脈叫“亞平寧山”

長越6400千米 最高峰高達(dá)9840米

6000米以上的山峰有6個

如果你降落在月陸區(qū)域

那將看到的將是峰巒起伏 山脈橫貫

▲NASA公布首張月球表面3D地形圖

在月球表面 直徑大于1公里的撞擊坑約33000個

占月表面積的 7%-10%

最大的撞擊坑是南極附近的貝利環(huán)形山

直徑295千米，比海南島還大一點

小的環(huán)形山甚至可能只有幾十厘米

月海

是月球表面的主要地理單元

占全月面積的25% 迄今已知的月海有22個

絕大多數(shù)分布在面向地球月球的正面

▲月海主要分布于月球正面(制圖/中科院空天信息研究院行星遙感團隊,引自 <中國國家地理> )

最大的月海是風(fēng)暴洋 面積約為500萬平方千米

月海雖叫做“?！?，實際上它滴水不含

它的表層覆蓋類似火山噴發(fā)形成的玄武巖

即月海玄武巖

許多科學(xué)家認(rèn)為月海是小天體撞擊月球時

玄武巖巖漿覆蓋了低地所形成

除了“海”以外

還有被稱為湖的“月湖”

被稱為灣的“月灣”

被稱為沼的“月沼”

▲月海分布圖

月面上還有一種以環(huán)形山為輻射點

向四面八方延伸的亮帶

它幾乎以筆直的方向穿過山系、月海和環(huán)形山

叫做“輻射紋”

▲月球表面的輻射紋

在滿月時可以清晰看見 尤為壯觀

形成輻射紋的原因至今未有定論

許多人傾向于隕星撞擊說

認(rèn)為在沒有大氣和引力很小的月球上

隕星撞擊可能使高溫碎塊飛得很遠(yuǎn)

而另外一些科學(xué)家認(rèn)為不能排除火山的作用

火山爆發(fā)時的噴射也可能會形成這樣的條紋

究竟是為何呢？還需要繼續(xù)進(jìn)行探究

研究月球的演化

月球大約在46億年前形成

月球形成不久 便分異形成月殼、月幔和月核

形成月殼之后

月表頻繁遭受到的隕石體強烈撞擊

大約在38～43億年以前

由于小行星或星子的撞擊形成月海盆地

之后在31～39億年以前

月海玄武巖的噴發(fā)并充填月海盆地

約在30億年以前

全月球性的火山作用基本停止

我們可以把月球的歷史粗略分成6個時期

前酒海紀(jì)——月球形成到39.2億年前

酒海紀(jì)——39.2億年前到38.4億年前

下雨海世——38.4億年前到38億年前

上雨海世——38億年前到32億年前

愛拉托遜紀(jì)——32億年前到11億年前

哥白尼紀(jì)——11億年前至今

由于無法精確放射性定年

所以我們無法準(zhǔn)確確定 各個時期的起始時間

只能通過幾個撞擊盆地的形成年代

來劃分這6個地質(zhì)時期的相對先后

▲月球統(tǒng)一地質(zhì)圖，是美國地質(zhì)勘探局天體地質(zhì)科學(xué)中心、美國宇航局與月球行星研究所合作最新公布的使用月球高程數(shù)據(jù)LOLA（ Lunar Orbiter Laser Altimeter）繪制的月球地質(zhì)圖，Credit: 圖/NASA/GSFC/USGS

生物學(xué) 或許在月球并無用武之地

雖然月巖中發(fā)現(xiàn)有多種有機化合物

但是至今還沒有發(fā)現(xiàn)生命物質(zhì)的跡象

因為月表溫度劇烈變化

太陽輻射強烈

宇宙射線的摧殘

隕石對月表的撞擊

干涸無水的月表和近乎真空的環(huán)境

都證明了月球上不可能有植物和動物

甚至連細(xì)菌也難以生存！

▲到了月球才知道，生機盎然的藍(lán)色地球多么令人向往

嫦娥六號將使用鉆取和表取兩種采樣方式

獲得不同層面和深度的樣品

與人類在地球上開展的地質(zhì)工作相似

在未來 完全有可能將地質(zhì)工作者送上月球

開展“月質(zhì)”的研究

甚至將月球礦產(chǎn)開采后運回地球

進(jìn)行更深層次的利用

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撰文|李忠東 李馨宇

審稿|李忠東

圖源|網(wǎng)絡(luò)

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