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撩开“月壤”的神秘面纱

2021-10-09徐继山

科学24小时 2021年10期
关键词:月壤温差表面

徐继山

月壤之 形

月壤,究竟长什么样呢?看上去这是个很简单的问题,但分析起来,稍微有点复杂。从“嫦娥五号”探测器带回的样本来看,月壤呈现的是一种土黄色的散体状态。奇怪的是,1978年美国曾赠送给我国1克月壤,这块块状结构的月壤呈水泥灰色。然而,苏联取回的月壤颜色也是土黄色的。这是怎么回事呢?这是因为我国和美国在月球表面取样的地点是不同的,这就好比地球上的土有黄土、红土和黑土之分,其成土条件和成分不同,粒度、颜色等外观状态自然也不一样。

先前,美国和苏联的取样地点大都位于月球赤道附近。而我国“嫦娥五号”探测器的取样地点,经过科学家多次计算和勘测,最终确定在月球正面的风暴洋北部。这个取样地点更加靠近吕姆科山,大概在15亿年前这片区域曾发生过火山活动。需要说明的是,月球是一颗很不活跃的卫星,大部分火山都活跃在30亿~40亿年前。所以,这片区域的月壤更加“年轻”,科研价值也更大。

月壤披覆在月球表面,笼罩着月陆、月海、山脉、月谷、环形山等各种地貌。月球上是不存在水的,这个“海”当然也是“枯海”,实际是低于月球表面的巨型低洼盆地。前文所说的“风暴洋”就是最大的月海,面积约为500万平方千米。月陆,是较高的大面积区域,一般高出月海底面2~3千米,主要由浅色的斜长岩组成,反射率较高。正因如此,月球才有了“月亮”之名。环形山,是月球表面最显著的地貌,直径大于1千米的环形山有3万多个,使得月亮表面如同患过“天花”一般,“麻坑”满面。这些“坑”,绝大部分是陨石撞击形成的,其余的一小部分是火山活动造成的。所以每一个“坑”,都见证着“磨难”。

 “阿波罗号”月壤取样点(左)与“嫦娥五号”月壤取样点(右)

“嫦娥五号”探测器着陆点

月球正面地貌图

月球表面不同形态的撞击坑:A.碗状撞击坑;B.内隆起型撞击坑;C.平底型撞击坑; D.同心型撞击坑(据王世杰等,2007)

俗话说:“上天容易,入地更难。”虽然人类已经完成了登月与月壤取样,但是目前尚无能力钻透月壤层而直接测得它的厚度。在月球表面,有许多小一点的撞击坑,这些小坑能间接帮助我们了解月壤厚度。经模拟试验发现,当月壤厚度介于撞击坑直径的1/10~1/8时,可以形成“同心型”撞击坑。这样,根据月球表面不同区域各种“款型”的撞击坑,就能大概推算出月壤的厚度分布了。根据测算,月壤厚度比较薄,大致在0.02~10米之间。

月壤之 质

在显微镜下,我们可以看到月壤是由岩石碎屑、粉末、角砾等形态的物质构成的,那些黑色的小颗粒,就是火山灰。还能看到一个非常有趣的现象——月壤颗粒具有气泡状的结构,这应当是在“撞击—重熔”作用下形成的。

月壤呈现为松散结构,属于残余物或迁移物。不同于地球上风化作用产生的土,月球具有完全不同的内动力、外动力地质作用环境。在地球上,岩石受到的风化作用包括风、水、温差变化等,它们把顽固的岩石变得支离破碎,最终形成一片散土。月球上的作用没有这般丰富,却显得简单而独特。

从内动力作用来说,月岩的主要成分为玄武岩,它们是早期火山—岩浆活动的产物。玄武岩是黑色的,所以月球表面就是灰蒙蒙的颜色。月球的外动力主要为温差作用,其昼夜温差可达300℃,白天高达130℃,晚上低至-180℃。要知道地球上最大温差才50℃左右。对此,有人觉得很奇怪,地球、月球与太阳的距离差不多,为何温差这么大?关键在于月球没有大气层,它完全暴露在太阳的辐射下,不能散热,也不能隔热。例如,月球上的一块石头,阳光照到的一面,温度就会陡然上升至最高,而背阴的一面却处于极低温的状态,很容易被温差风化。月球的一昼夜相当于地球上的一个月,再硬的石头,也会猝然崩解,由岩成土。在漫长的岁月里,月壤的粒度会越来越小,甚至达到几十微米(头发丝粗细大小)。此外,還有陨石撞击的影响,撞击作用不仅能使月岩破裂,撞击产生的高温作用也会使岩石的碎片重新“熔合”在一起。所以,在显微镜下能够看到玻璃状的重熔态物质。

月壤颗粒的三维显微结构

月壤“撞击—重熔”作用示意图

太阳风示意图

月壤的矿物成分主要为斜长石、辉石和橄榄石,以及钛铁矿、二氧化硅等矿物。月壤中的化学元素在地球上皆有,从这一点上来说,也体现了地球与月球在物质上是统一的,科学家们甚至一度认为月球来自地球。在月壤诸多化学元素中,铁是含量排在第一位的金属元素。因为月球没有氧气,铁元素处于一种高度还原的环境下,仅以二价铁的状态存在着。比如钛铁矿,它是一种灰黑色的矿物,从而在本质上决定了月壤的主色调。

月壤之 用

地月之间的距离有38万千米之遥,往返一趟,不仅费时费力,而且还很烧钱。费尽心思取回这么一点点土,有用吗?归纳起来,月壤的价值至少体现在以下3个方面:

一是科学研究。探月工程本身就是一项科学研究活动。关于月球,迄今还有许多悬而未决的问题,涉及月球地质学、撞击坑年代学、月岩学、月壤学和月球动力学等学科。比如月球火山活动时限问题,先前研究认为远古月球大约在43.5亿年前开始发生火山活动,但是结束时间尚不明确;月壤中的相当一部分物质来自月球深部的月幔,取回月壤,就能由表及里推知它深部的情況;月壤中还有一部分外来物质(溅射物),分析这些物质,就能了解月球撞击坑的具体年代。此外,还有许多其他问题等待着探取的土样给出答案。

二是资源开发。与地球相比,月球有着独特的演化环境和地质背景,其稀有资源非常丰富。比如氦-3,这种元素与氘在超高温下可以发生核聚变,生成氦-4和质子(氢)。值得一提的是,这种聚变不产生中子,不存在辐射,完全无污染,是一种名副其实的清洁能源。氦-3主要来源于太阳风,因为月球没有大气层,能够很好地“保管”这些资源。据推算,地球上的氦-3只有500千克,且十分分散,几乎没有开发价值;而月壤中的氦-3可达100万吨,这个数量按照人类目前对能源的消耗水平,用上一两万年都不成问题。此外,月球还有相当丰富的钛、铁、稀土等元素,以及多种地球上没有的矿物,如静海石。依此看来,月球就是一座巨大的资源宝库,等待着人类去开发。

三是战略意义。探月工程是一个复杂的系统工程,它需要强大的科技力量作支撑,所取得的科研成果,又会反过来强烈推动科技的发展。实施探月工程,需要集合宇宙学、空间天文学、空间材料学等学科理论,带动信息技术、遥感技术、新能源技术、新材料技术等高新技术的发展。事实上,20世纪美国之所以拥有领先于世界的科技水平,很大程度上来自对“阿波罗”探月工程技术的开发和应用。我国古代天文学成就卓然,现代航空航天事业的发展更是突飞猛进,中国人对星空的探索从未止步,也必将永无止境。

致谢:感谢国家自然科学基金(42042054、42177123)、中国矿业大学教学研究项目(2020YB20、2018ZX06)、中国矿业大学研究生教育教学改革研究与实践项目(2019YJSJG011)、地质工程专业国家一流专业建设点资助项目、江苏高校优势学科建设工程项目的支持。

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