出品：科普中國
製作：林楊挺（中國科學院地質與地球物理研究所）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
2020年12月17日1時59分，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內蒙古四子王旗預定區域安全著陸，探月工程嫦娥五號任務取得圓滿成功。
△內蒙古四子王旗著陸區現場的嫦娥五號返回器（國家航天局）
可能會有人問，我們為什麼要費這麼大力氣採集月壤，研究月壤呢？在嫦娥五號之前，中國還沒有去月球採過樣，是不是一直沒研究過月壤？
其實不然，我們已經對月壤開展了不少研究。今天就讓我們一起回顧。
月壤與地球土壤有何不同？
△圖1. 嫦娥四號著陸月面（動圖，素材來源見水印）
在記錄嫦娥四號著陸過程的視頻中，我們可以清楚看到著陸瞬間著陸器正下方被吹跑的塵土（圖1）；玉兔二號月球車緩緩從著陸器駛下，開始了在月球背面的巡視探測，在月球背面刻下了第一道醒目的車轍（圖2）。
△圖2. 玉兔二號倩影和月表上的車轍（圖片來源：中國國家航天局）
這條車轍已長達600多米，還在隨著玉兔的腳步不斷向前延伸。從視頻和照片中我們可以看出，月球的表面不是堅硬的巖石，而是覆蓋了一層鬆散的土壤，科學家稱之為「月壤」。
網上有個很有趣的問題，「當年各國收到美國贈送的月壤後，是如何確認月壤真的來自月球的？」
△圖3.問題描述（圖片來源：知乎）
從嫦娥四號的著陸視頻中，大家很難看出月壤與地球土壤的不同，但其實只要對月壤樣品進行研究，就會發現它們差別很大。
人類目前擁有的月壤，均來自9次任務。阿波羅登月計劃的6次任務，一共從月球正面的6個不同地點採集並帶回了382公斤的月球樣品，其中約1/3是月壤；蘇聯的3次月球號任務，也採回了300克左右的月壤樣品。（當然，嫦娥五號任務順利開展後，這些數據都將增長。）
通過對這些樣品的研究，科學家們發現，除了粒度都很細小之外，月球與地球上的土壤有很大的差異。
地球上的土壤大家都很熟悉，是一層疏鬆的物質，是由巖石風化形成的細粒礦物質，添加了有機質和水，含有微生物等。地球上土壤的形成，除了化學、物理作用之外，生物的活動是其最重要的特徵。此外，我國西北地區廣泛分布的黃土，是一種比較特殊的土壤，主要由風力搬運、沉積形成。黃土逐年堆積，因此還記錄了長達200多萬年的氣候變化歷史。
月球沒有大氣、沒有水、更沒有生物。那麼月壤又是怎樣形成的？
由於沒有大氣，月壤被直接暴露在太陽輻射和微隕石的轟擊之下，組成和物理性質發生改變，科學家們將這個過程稱為「太空風化」，從而與地球上在大氣、水和生物共同作用下的「地表風化」相區別。
月壤的形成過程沒有生物活動參與，沒有有機質，還極度缺水乾燥；組成月壤的礦物粉末基本是由隕石撞擊破碎形成，因此，粉末顆粒的銳角十分鋒利。
不僅如此，月球沒有磁場保護，太陽風（主要由氫離子等組成）會注入到粉塵顆粒表面，將礦物中的二價鐵離子還原成納米金屬鐵微粒，從而改變其電磁特徵、光譜特徵（顏色）等。
另外，月球表面經常被隕石以每秒10多公裡的速度撞擊，巨大的能量會使月表一部分物質熔融，形成玻璃，還有一部分物質氣化，再重新凝結，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。
有讀者可能會產生疑問，月壤只不過是月球表面的塵土，為什麼還要研究它呢？其實，研究月壤不僅對探月非常重要，還能幫助我們了解太陽系、了解地球。
要想探月，必須研究月壤
可以這麼說，月壤對於探月工程的實施非常重要。
前面我們提到，月球表面幾乎完全被月壤所覆蓋。這就意味著，環繞月球軌道上的所有探測器直接探測的對象並非巖石，而是月壤。但是，由於太空風化作用，月壤的物質組成和光譜性質發生了不同程度的改變。很顯然，如果不了解這種影響，得到的結果很可能存在偏差。
月壤的特點導致它對探月儀器和太空人都形成了不小的威脅。開展無人著陸和巡視探測時，從月壤表面揚起的月塵，會覆蓋在各種載荷的傳感器表面，以及充填在儀器和機械的運動機構縫隙，直接對工程的實施構成安全威脅。
△圖4. 太空衣上粘滿月塵的阿波羅太空人（NASA）
月表重力僅是地球重力的1/6，而且月壤顆粒的電磁性發生了改變，因此月壤的粘附力很強，太空人出艙進行科學考察時，全身極易粘滿月壤顆粒（圖4）。這些月壤顆粒雖然極微細，卻像刀尖一樣銳利，很可能給太空人的安全帶來重大威脅。
因此，對月壤的認識和研究是月球探測，以及未來建立月球基地、利用月球等不可或缺的基礎。
月壤還是未來月球資源的首選利用對象
除了對探月工程意義重大，月壤本身就是一種寶貴的資源。
我國已經成功實施了月球探測「繞、落、回」三步曲的前兩步，今年即將完成第三步。下一階段月球探測的新趨勢，就是從相對單純的「科學探測」向「科學與應用並重」轉變，月球資源利用已成為預先研究的重要內容。
需要在月球上開採、帶回地球的資源很少，最重要的是氦-3。氦-3是未來核聚變的可選燃料之一，但地球上的氦氣主要是放射性元素鈾、釷衰變產生的氦-4。氦-3主要存在於太陽，通過太陽風注入到月壤中（地球的磁場保護了地球，但同時也擋掉了氦-3）。因此，未來有可能從月壤中提取氦-3，帶回地球供核聚變使用。
我國一直在論證嫦娥四期任務，計劃在月球上建一個「基本款」科研站。月球是一個巨大無比的天然空間站，是人類深空探測的前哨站。月球資源將更多被應用於未來月球基地本身的構建和運行。例如，未來可以採用3D列印技術，利用月壤修建月球基地；從月壤中提取太陽風注入的氫，通過與鈦鐵礦反應生成水和金屬鐵；從月球南北二極永久陰影區提取凝結在月壤中的水冰等。這些重要的資源都富集在月壤中。另外，一些重要的礦物資源（如鈦鐵礦），從月壤中分選提取是最為經濟可行的方案，能夠避免開採和破碎堅硬巖石的巨大消耗。
△圖5. 科幻電影中的月球基地（圖片來源：《2001太空漫遊》）
月壤是本書，藏著太陽、地球和月球的秘密
研究月壤的意義不止於此。
月壤中藏著太陽的秘密。由於月壤一直受到太陽的輻射，太陽的物質以太陽風的形式被注入到月壤顆粒得到保存。因此，從月壤顆粒可以提取、並分析太陽的樣品。完整的月壤剖面，記錄了長達30多億年的太陽輻射歷史和注入的太陽物質。
月壤中還藏著地球的秘密。月球自形成以來，一直在不斷遠離地球。在地質歷史早期，月球遠比今天更靠近地球。除了太陽風之外，月球還一直被地球風吹拂著，特別是在更早的30多億年前。因此，月球正面的月壤還注入了來自古老地球的大氣物質。科學家提出，通過比較月球正面和背面的月壤，可以識別出來自地球大氣的成分，研究30多億年前地球大氣的組成和地球磁場(Ozima, et al, 2005; Wei, et al, 2020)。
最後，月壤中當然還藏著月球本身的秘密。月球表面不斷受到隕石的撞擊，濺射起來的物質一層一層堆積在月球表面。因此，月壤剖面記錄了30多億年以來的隕石撞擊歷史，而且，這段記錄同樣也適用於地球。與地球相比，月球是一臺完美的記錄儀，保存了地球-月球區域最完整的隕石撞擊歷史。相反，地球上的絕大部分隕石坑都被地質作用擦除了，在地球表面發現的隕石坑僅有170多個。
嫦娥五號將帶我們尋覓更多月壤奧秘
返回月壤樣品的量並不多，如果沒有樣品，我們還能研究月壤嗎？
當然可以。
以我國的探月任務為例，嫦娥四號就帶來了關於月壤的新發現。
△圖6. 通過嫦娥四號的相關數據，我們發現月壤的形成是一個反覆破碎、壓實成巖、再破碎的過程(Lin, et al, 2020b)
月球車玉兔二號攜帶了3臺重要的儀器——全景相機、探月雷達、成像光譜儀，開展了多方面科學探測，得到了大量數據。科學家根據這些數據，獲得了對月球內部物質組成、早期撞擊歷史、巖漿噴發歷史、以及月壤形成機制和太空風化特性等新的認識。
雖然嫦娥四號在月球上開展的探測卓有成效，不過，我們一直期待著能拿到更多月壤樣品，在地球實驗室中開展精細的研究。
隨著嫦娥五號探測器的成功發射，中國科學家們的這個夢想距離實現又近了一步。
嫦娥五號是我國月球探測第一階段「繞、落、回」的最後一步，預計將從月球表面採集2公斤左右的樣品返回。這也是繼阿波羅計劃和月球號計劃之後，人類再次採集月球樣品。而且，嫦娥五號的著陸區不同於以往的9個地點，返回不同的月球樣品，特別是最年輕的月球火山巖，將講述一個月球晚年的故事。任務計劃在著陸地點鑽取一根2米長左右的月壤巖芯，從而帶回該地區10多億年以來所發生的各種事件記錄。此外，還將從表面鏟取一些月壤樣品，其中很可能包含了來自相當大一片區域的巖石碎片。利用現代的微區微束分析技術，科學家將解開月球10多億年以來的火山活動和隕石撞擊歷史，理解這一區域火山活動持續如此之久的秘密。
航天人與科學家的腳步從未停歇，用智慧與勇氣將探索之心印刻在月壤之上，相信月壤也將向我們展示更多的秘密。
參考文獻：
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