文章來源：科學大院
作者：林楊挺/中國科學院地質與地球物理研究所
2019年1月3號，我國嫦娥四號探測器成功著陸月背，成為了人類歷史上首個在月球背面軟著陸巡視探測的太空飛行器，掀起了月球另一面的神秘面紗。
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」。
月壤是如何形成的？與地球土壤有何不同？我們為什麼要費這麼大勁去研究月壤，又如何研究月壤呢？
月壤與地球土壤有何不同？
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。
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。
如果沒有返回地球的樣品，我們如何研究月壤？
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. 嫦娥四號著陸區(Zhang, et al, 2020)
嫦娥四號的著陸區位於月球南極-艾肯盆地中的馮·卡門撞擊坑（圖6）。南極-艾肯盆地直徑約2500公裡，深達13公裡，打開了一扇月球內部的窗口，從而可以直接探測月球內部的物質組成。
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。
利用全景相機，科學家們獲得了著陸區和巡視路線上的高分辨立體影像圖。與嫦娥四號著陸區多石塊的表面相比，馮·卡門撞擊坑表面幾乎沒有石塊。說明這裡月壤的形成經過了很長的時間，原有的石塊都被砸碎了。
探月雷達向下發射了2束電磁波，根據回波信號獲得月表下的信息。頻率高的一束用於探測月壤的精細結構，但能探測的深度較淺（約50米）；頻率低的一束用於探測月壤下面的物質和結構，探測深度約500多米。
圖7. 雷達高頻信號剖面(Zhang, et al, 2020)
高頻雷達信號表明，這裡的月壤很厚，達到了12米。作為對比，由於技術能力的限制，阿波羅計劃月壤鑽機只能鑽取到2米左右，遠比實際月壤厚度要淺。在嫦娥4號著陸區，月壤之下是從撞擊坑濺射過來堆積成厚約22米的角礫巖層（圖7）。
結合區域影像，雷達探測結果清晰顯示，玉兔二號行走路線上的月壤主要是從馮·卡門撞擊坑東北角的芬森坑拋射過來的，並不是由下面的玄武巖破碎形成。
圖8. 雷達低頻信號剖面(Zhang, et al, 2020)
低頻雷達信號則讓我們發現，玉兔二號的巡視路徑下覆蓋了多次撞擊事件的角礫巖，以及間隙噴發的玄武巖漿。
圖9. 玉兔二號探測的月壤和石塊及其光譜(Lin, et al, 2020a)
玉兔二號月球車攜帶的成像光譜儀負責對月壤和石塊的成分進行探測（圖9）。成像光譜可以得到探測目標從0.4到2.4微米波段的反射光譜，然後解算出不同礦物的含量，發現這一地區的礦物主要是橄欖石、長石、高鈣輝石和低鈣輝石。但是，這一區域月壤的光譜受到強烈太空風化作用的影響，因此解算出的結果差異較大，主要反映在得到的橄欖石含量不同(Gou, et al, 2019; Huang, et al, 2020; Li, et al, 2019; Lin, et al, 2020a)。作為對比，石塊的光譜受到太空風化的影響很弱。
科學家從石塊光譜解算出各種礦物的含量，再結合這些礦物顆粒度較細小的特點，提出了這些月表物質的形成機制，即產生南極-艾肯盆地的大撞擊不僅挖掘出一個巨大的盆地，還使月球深部物質熔融，形成一個巖漿湖，然後分異結晶形成該盆地的基底(Lin, et al, 2020a)。隨後，芬森坑撞擊事件將這些基底巖石挖掘拋射在嫦娥4號著陸區，再經過長期的隕石撞擊將大部分物質粉碎成月壤。
玉兔二號一路走來，沿途可以看到很多小撞擊坑。大部分小撞擊坑的表面光滑，看不到石塊。但是，也發現有一些奇特的小坑，它們的表面填滿了塊狀的物質（圖10）。
圖10. 玉兔二號巡視路徑上的碎石坑(Lin, et al, 2020b)
這些碎石坑是怎麼形成的？雷達探測結果排除了這些碎石塊是從底下挖出來的可能(Ding, et al, 2020)，而光譜的探測表明，這些石塊的組成與周邊月壤相同(Gou, et al, 2020; Lin, et al, 2020b)。通過進一步的分析，科學家們發現，這些碎石狀物質與阿波羅計劃帶回地球的火山玻璃和撞擊熔融玻璃非常相似，根據這些研究，他們提出了月壤形成的模型(Lin, et al, 2020b)。
圖11. 月壤的形成機制(Lin, et al, 2020b)
隕石的撞擊一方面使巖石破碎，另一方面也使疏鬆的月壤壓實、部分熔融膠結成塊，並被後面的撞擊挖掘、拋射出去。因此，月壤的形成是一個反覆破碎、壓實成巖、再破碎的過程（圖11）。
嫦娥五號將帶我們尋覓更多月壤奧秘
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。就在今年，嫦娥五號將幫助科學家們實現這個夢想。
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。
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