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押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤

发布时间:2021-01-14 18:34编辑:小狐阅读: 346次 手机阅读

嫦娥五号顺利返航,让中国成为继美国、苏联之后,第三个能够成功在月球表面采集土壤和岩石样品并带回地球的国家。

中国地质大学(武汉)行星科学研究所的教授肖龙是月球地质科学研究的专家,也是“嫦娥工程”的核心科学家之一。为了帮工程团队解决比如钻头能不能打下去、土壤怎么取出来等一系列涉及月球土壤性质的问题,在过去十余年里,肖龙及其团队经过反复试验研发了30多种模拟月壤,在反复筛选后,最终十多种被确认为试验用月球土壤,总共为“嫦娥工程”模拟月壤超过100吨。

他曾担任嫦娥三号科学数据应用核心科学家团队组长,嫦娥四号科学数据应用核心科学家团队副组长。这次,肖龙又深度参与了“嫦娥五号”着陆、采样地点的选址以及钻取工作。在接受本刊采访时,他详细介绍了嫦娥五号选址工作、月球样品的科学研究价值等问题。

专访“嫦娥工程”

押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤(图1)

记者|陈璐

为什么选择

在“吕姆克山地区”着陆?

三联生活周刊:嫦娥五号此次选择的月球着陆点是在风暴洋西北部吕姆克山附近的位置,为什么会选择这个地点着陆并进行采样?这和1969年美国阿波罗12号飞船选择的风暴洋东南部的着陆点有哪些区别?

肖龙:首先需要明确的是,我们原来公布的名称是“吕姆克山地区”很多人把“吕姆克山”和“吕姆克山地区”的概念混淆了。“吕姆克山地区”是一个火山穹隆区域,其中最具地标性的是一个高凸起来的地貌,也就是“吕姆克山”但其实着陆点并不是选的这个山,而是在吕姆克山东边一个区域。

这和阿波罗计划选择的着陆点离得是很远的。阿波罗计划中,除了阿波罗16号是落在月球正面的高地地区,其他比如阿波罗11、12、14、15号的着陆点都是在月球正面的月海地区—我们把月球表面那些暗色的区域称为月海。从着陆点的分布图上可以看出,嫦娥五号的着陆点离它们都很远,离其他非采样任务的着陆点也很远。

选择这个着陆点主要有两方面的考虑。 第一是工程上要能够保证安全实施,能够满足工程条件的制约。比如说,从大的范围来讲,我们这一次采样点选择的是月球正面。月球正面又分月海和高地两种不同的地质地貌单元,从着陆来讲,月海地区更加安全,因为月海的地势比较平坦,不像高地的地形复杂、坡度变化大,这对于我们完成探测和起飞任务会比较容易。

押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤(图2)

嫦娥五号着陆器拍摄的采样点的彩色照片,图像上方可见已完成表取采样的机械臂及采样器(国家航天局 供图)

第二是考虑它的科学产出。美国阿波罗计划总共采了300多公斤月球样品,苏联也采回了三次月球样品。不管嫦娥五号这次能够采回多少月球样品,首先要考虑的是,我们选择的这个地区有没有可能获得跟他们不一样的、新的东西。所以我们要远离阿波罗计划已经采样过的地区,至少不能挨在一起。当然其实远离它们,得到的样品也不一定会不一样,因为不同地方的土壤也有可能性质差不多。

押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤(图3)

美国宇航员在阿波罗模拟宇航器里进行

这次嫦娥五号的预选着陆区范围有5.5万平方公里,这个区域内实际由几个不同的地质单元或者说岩石单元组成。其中一个最突出的就是吕姆克山,它是一个火山穹窿,坡度比较大,对着陆而言可能性更高、困难更大。另外一个就是相对平坦的月海,又可以简单划分为西部和东部两块。

西部这块形成得比较早,估算的年龄大概在34亿年左右,是34亿年前火山喷发的物质遭受空间风化(指天体表层暴露在太空环境中经历温度、太阳风、宇宙射线等作用的一系列变化过程的总称)形成了所谓的月球土壤。东部这块形成的时间则要更晚、更年轻一点,估算的年龄大概在15亿年左右,不早于20亿年。所以两个地区的年龄差得比较大,至少可能是15亿年。

阿波罗计划已经采集了很多火山岩样品,其中没有一个样品的年龄是低于30亿年的。基于这样一个结果,当时科学界认为月球的火山活动在30亿年之前就停止了,不像地球的火山活动直到现在都很活跃。

刚刚说到的这个“十几亿年”的“新发现”是根据遥感探测数据分析得出的。这是根据一种名为“撞击坑统计定年法”的方法获得的,大意是对不同地貌单元表面分布的撞击坑的数量和大小进行统计,就可以大致判断不同地区年龄差别。通过这个方法得到的结果发现,西边月海和东边月海的年龄差别很大。

所以最后我们是综合了工程和科学两大需求,才决定到东部月海地区采样,这里既安全,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤。

月球样品的科学研究

价值具体是什么?

三联生活周刊:可否具体介绍一下,嫦娥五号获得的月球样品将有利于哪些科学研究的展开?

肖龙:首先,我们采集到了比以往更年轻的火山活动的样品,可以证明月球火山活动的时限更长。从地质年代学工作的角度来说,如果能够确定我们现在推测的15亿年的年龄结果是对的,或者说稍微有些偏差,比如大概是16亿年或者17亿年左右,但远远比以前所认识的火山岩的年龄要年轻,这就能够说明月球的火山活动一直持续到了距今十几亿年前。

这对认识月球整个的活动历史是一个颠覆性的发现。因为月球冷却比较快,它的体积较小,内部热量保存的时间短,或者说散热能力比较强,所以很早就“熄火”了。而越大的天体,它的热量维持时间越长。地球为什么现在依然活跃?因为它体积很大,而像水星、月球,包括火星,体积比地球要小很多。如果一个行星内部的能量和热源比较小,它的地质活动也会变得更弱。因此对于月球的火山活动,当时认为三十几亿年前时停止活动也是可以理解的。

另外是有关定年方法的问题。现在国际上通用的“撞击坑统计定年法”是不是可靠?如果实际样品测得的年龄和通过撞击坑统计定年法得出的年龄一致,就可以确定“撞击坑统计定年法”是对的。反过来也可能有所差别,这样就要对现有定年的方法进行校正。现在国际上不管是对月球还是对火星等行星表面的定年研究,都是用的“撞击坑统计定年法”而且都是根据月球的年代学曲线外推得到的。 现在存在的最大问题是,月球的撞击坑年代曲线上,在30亿到10亿年间缺少定标点,因此它的误差就可能很大。所以这次火山岩的年龄能够确定下来之后,不管是对月球表面的研究,还是对其他天体的研究作用都很大。

押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤(图4)

肖龙所领导的团队制作的模拟月壤样品(王翮 摄)

随之而来科学家要思考的问题是,如果已经证明了月球十几亿年前还有火山活动,也就是月球内部的岩石即月幔发生了熔融,形成岩浆并喷射到了月球表面,那么它的热源从何而来?是什么岩石发生了熔融?月幔具有不均匀性,熔融形成岩浆的这些月幔的物质其性质是什么?举个例子,地球上的火山活动也有很多,像夏威夷、冰岛等不同地方的火山活动,其火山物质的深度也不一样,有些可能是几十公里,有的可能是几百公里。

与之相关的另一个很重要的研究是,关于月球内部的气体和挥发分(一般指水、二氧化碳、卤族元素等在高温下呈气态的物质)根据地月形成的月球模型,一般认为月球内部含有的挥发分很少,因为月球经历了一个非常强的高温熔融阶段,很多具有挥发性的气体都跑掉了。如果通过检测,我们能够发现十几亿年的月球样品里挥发分的含量,就可以帮人类了解,月球内部到底有没有挥发分,他们是如何被保存下来的,对于地月的形成理论有何意义等。比如地球上火山喷发很明显可以看到气体往外冒,我们就是要解决这些气体的问题。

此外还有矿产资源的问题。讨论最多的可能是月球土壤里氦-3的问题。为什么地球上没有氦-3,而月球上有?因为月球没有大气层,它长期暴露在太阳风和宇宙射线的环境中。氦-3是因为太阳风的注入,从外太空来到月球上的。

月球表面暴露的时间越长,而且没有大气层的阻挡,接受的太阳风越多,所以月球年龄大的地方,氦-3的丰度应该更高。此外氦-3还跟岩石化的土壤里面钛的含量有关。一般来说,如果土壤里钛铁矿的含量高,会更有利于氦-3富集。相对来说嫦娥五号着陆的地区,它形成的时间不是很长,所以氦-3的丰度不一定很高,我们到时候可以通过检测样品,看看能不能检测出来。

月球上有什么可以实现利用的资源?

三联生活周刊:我看到很多科普文章以及媒体报道中都写道,月球土壤中富含氦-3,而氦-3因为在聚变过程中不产生中子,放射性小,被视为一种高效、清洁、安全、廉价的可控核聚变发电燃料。所以这会是我们针对月球土壤相关应用研究的一个重要方向吗?

肖龙:氦-3的应用,我认为还有一段路要走,而且很长。因为氦-3在土壤里面的浓度是很稀薄的。我们对矿产资源的定义有专门的术语—“品位”就是指比如一吨石头里含有多少克的黄金。早先技术不行,一吨石头里面有3~5克黄金才能开采,现在技术进步了,可能一吨石头里有1克黄金也能不亏本,有1.5克就赚钱了。这里3~5克每吨和1克每吨,就是不同技术条件下的金的工业品位。

那么月球上的氦-3是什么情况?它是特别稀薄、高度分散的一种元素,10吨土壤里面只有不到1克,而且我们还不知道怎么去提取它。这就好比10吨的石头里面只有1克黄金,你会去提取它吗?所以月球上虽然确实存在氦-3这种资源,等将来技术发展到一定程度的时候能够去进行提取,但按照现在的技术,这可能是件花费1万块成本才赚1块钱的事情。

并且,关于可控核聚变这个技术,本身也有很长的路要走,起码中国现在没有掌握这项技术,只是理论上可以把这个公式写出来,但要在实验室里实现是很难的。月球上没有现成的氦-3等我们去拉回来,要是有的话,美国人早就去开采了。所以这不是一个严肃的科学问题,目前不必过分去强调。

押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤(图5)

肖龙在观察来自小行星的陨石样本(王翮 摄)

三联生活周刊:那么月球上到底有什么可以实现利用的资源吗?

肖龙:跟矿产有关的一些资源,我认为现在基本还谈不上可以。也有人说钛铁矿里含有金属钛和氧,能不能把氧气提取出来,供人们在月球上使用?或者是把钛提炼出来作为一种金属?这在理论上是可行的,但从经济的角度来说很划不来。

举个简单的例子,要使钛铁矿还原成钛、铁和氧三种元素,需要用到氢气,但月球上没有氢气。而把氢气带去月球,也很困难,因为氢气非常危险,容易。即便能够把氢气带去月球上,这个还原过程也不简单,因为产生的氧气会很容易和氢气发生反应。现在月球南极地区发现了水冰,这倒是可以利用,因为水冰简单加热一下,就会蒸发出来。

我觉得将来最有可能实现的,其实是月球土壤的就地使用,比如建月球基地。过去几年,我们做了一些模拟月壤,很多做材料工业方面研究的单位也找到我们,他们将这些模拟月壤拿去做了些3D打印实验,也打印了一些东西。所以我们未来或许可以利用3D打印技术把月壤制成砖块或者具有其他特性的一些材料,盖房子、搞建筑。

但这都是实验室里的研究,到大规模应用还有一段路要走。实际应用上要更复杂,因为月球的环境跟地球完全不同,月球上没有水、没有黏合剂,你要能把这些原材料带上月球才行。但是随着技术的进步,我觉得通过月壤的3D打印作为建材使用,是最有可能实现的。

肖龙:从科学研究角度来讲,我们采到的月壤量,相比苏联无人采样,算是很多了,但总共也只有1731克,不算多。可是用处很多。那么我们就希望消耗最少的量,达到最大的科研成果。模拟月壤就可以作为实验材料,把流程走通,保证最小的消耗和最大的产出。另外,模拟月壤还有一些工业上的用途,比如3D打印。并且,我们还要做不同的模拟月壤,比如嫦娥七号要到南极极区去,南极极区的月壤性质和月海地区的月壤性质就不一样了。所以关于模拟月壤,还有很多工作值得去做。

对于月球中是否存在水,

有哪些证据和推测?

三联生活周刊:你刚刚提到月球南极地区发现了水冰。实际上,嫦娥四号的着陆点选在了南极-艾特肯盆地,所以嫦娥四号发现了水冰吗?

肖龙:首先,嫦娥四号并没有落在南极,而是落在月球背面一个叫冯·卡门的撞击坑里。这个撞击坑位于一个名叫“南极-艾特肯”的大盆地里面。南极-艾特肯盆地的范围是从南极到艾特肯整个地区,就好比京广线是从北京到广州整个区域。所以很多时候,人们都以为南极-艾特肯盆地是指在南极的一个艾特肯盆地,这是不对的。

南极-艾特肯盆地的直径有2500公里,嫦娥四号并未落在南极地区。实际上,关于哪里算南极地区,本身也有不同的考虑和定义。南极是一个点,但南极地区就是靠近南极一定范围的区域,不同专业会有不同的定义,有的认为纬度90度以上才叫极区,有的认为是85度以上是极区,还有人认为80度就可以。月球也有类似问题,国际上对此没有统一的规定。但是一般公认的是,月球南北纬85度到90度的范围内叫作极区。

嫦娥四号着陆点的南纬45.4446°,距离南纬85度这个界线还有很远。不过,嫦娥四号确实是目前最靠近极区进行着陆的探测器,但是距离含有水的地区还很远。

押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤(图6)

嫦娥四号着陆器监视相机C拍摄的玉兔二号巡视器走上月面影像图(国家航天局供图)

三联生活周刊:那么我们现在对于月球中是否存在水,有哪些证据和推测?

肖龙:为什么南极地区会有水?因为这个地方的地形本身起伏很大,有很多撞击坑。而且极区光照的角度特别低,比如赤道附近可以看到垂直的光线,那么靠近极区的光线几乎只有十几度。这就导致这些撞击坑底部有些地方永久都见不到阳光,我们叫它永久阴影区。永久阴影区里的温度特别低,差不多是零下一两百度或者更低的温度。在冷却的表面上以凝结方式捕集气体的阱,这在温度科学上叫作“冷阱”

冷阱会产生什么效应?如果有水或者其他挥发分进去,就会被冻住,走不了了。比如火山喷发或者彗星撞击后产生的水汽,一进入这个地区就被锁住了。冰箱也有这样的效应,冰箱里面没放水,但为什么经常有那么多冰?就是它通过类似效应把蔬菜、水果里的水弄过去了。

所以月球上的冷阱效应有可能保存一些水分子。但阿波罗计划时期,我们都没有这样的认识。是后来通过遥感探测、光谱有所发现,因为羟基(-OH)会有特殊的光谱的吸收位置,并且后来很多的探测也进一步证实南极地区确实存在水冰。但是现在我们对月球上水冰的储存量是多少,赋存状态怎么样,埋藏的深度有多深,月球表面有没有水冰都还没有一个准确的认识。所以目前或者未来很长一段时间里面,很多国家都会瞄准极区去探测水冰。我们国家嫦娥七号也是准备要去靠近极点的位置探测水冰的。

三联生活周刊:水是否是对月球生命痕迹的探索?

肖龙:月球的水跟生命的关系度不是很大。对于月球上的水,尤其是南极和北极那些永久阴影区的水冰,大家现在有比较清晰、趋于一致的认识。科学上认为这些水可能有三种:一个是通过火山喷发形成的水分子,向南极极区迁移,被它捕获了;还有彗星撞到月球以后,彗星上的这些水分子被它捕获;最后就是太阳风,太阳风注入时会带来一些氢,因为太阳风中主要是氢,这些氢和月球某些矿物里的氧结合形成水。

实际上,最大的用途是降解这些水,拿来做燃料。水是氢和氧构成的,把它分解成氢气和氧气,生成液氢、液氧就可以作为发动机的燃料。如果能在月球上实现这个事情,就可以建一个类似加油站的地方,将来在月面给火箭搭设一个发射架,从月面起飞火箭。从月面上起飞有什么好处?因为月球的引力只有地球的1/6,一个小火箭就可以发射很重的东西,将来在月面发射探测器就可以节约很多推进剂。这为去包括火星在内的宇宙其他地方了很多便利,因为从地球直接发射升空的成本是很高的,这次发射长征五号火箭,实际上我们就因为等待大推力火箭多等了三年。

月球背面我们现在了解多少?

三联生活周刊:所以再说回来,当时嫦娥四号是为什么选择了这个着陆点呢?

肖龙:嫦娥四号代表的是另一种可能。月球背面谁都没去过,只要到月球背面着陆就是一项壮举,开辟了一个先河。而且嫦娥四号的着陆,本身从技术上来说就很难,它跟地球之间不能直接通讯,要发射中继星,有很多的技术要发展。并且你只要到了月球背面,从科学的角度肯定会有新发现,不管是证实以前的认识和猜想是对的,或者是错的,都有很大价值。

三联生活周刊:我看报道称,嫦娥四号的探测器现在还在工作。

肖龙:是的,嫦娥四号已经在月面工作两年了。实际上,探测器的工作能力很有限,主要的科学仪器是几台相机和一个雷达。到现在它已经走了两年多,才走了六百多米。但是它能维持、活下来就不错了,因为月球的环境非常恶劣,从白天零上几百度到晚上零下几百度,仪器一般都受不了。所以它每待一天都是在创纪录。

三联生活周刊:为什么它走得这么慢?

肖龙:这里面涉及很多技术问题,包括通讯、测控、温控等,具体我也不是很清楚。但应该说要维持它的生存已经很难了,要让它干活就更难。

嫦娥四号着陆区地理实体命名影像图(供图)

三联生活周刊:那它返回的信息,对我们了解月球背面有哪些帮助?

肖龙:月球背面的问题跟月球正面不太一样。嫦娥四号落在冯·卡门撞击坑,冯·卡门撞击坑又在一个大的南极-艾特肯盆地里,一环套一环。

这个大环是一个2500公里直径的大盆地,也是太阳系里面最大的一个撞击盆地。形成这么大的撞击盆地,要求当时的撞击能量非常大,把月球挖掘得很深,使得上部月壳几十公里和甚至下部月幔一些物质,全部抛射了出来。这样,我们就可以在月表捡到从很深的月球内部抛出的石头,为研究月球深部的物质信息了机会。

目前来讲,因为探测器的仪器比较少,像红外光谱仪、相机都不能定量地测量物质的成分。所以我们目前对于这些物质的成分,还没有确切的证据形成统一的认知。但是通过相机拍摄的照片、雷达探测的结构,还是告诉了我们很多信息,证实或者排除了一些以前的猜想。比如冯·卡门撞击坑里面也有一些火山活动存在。月球背面的撞击、溅射非常频繁,冯·卡门撞击坑的形成年龄可能在35亿年之前,35亿年前月球遭受撞击的频率比现在还要更高,所以月球成壤的速率更快。嫦娥四号发回的照片里,月球车的车辙很细腻,比嫦娥五号拍摄到的土壤成熟度要高,更细更均匀,当然也可以看到散落的一些石头,这些石头是其他地方发生大的撞击事件从月球内部甩出来的。

月球上的火山喷发,

是什么样的场景?

三联生活周刊:关于月球内部的热量从何而来,我们有一些推测吗?

肖龙:有一些推测。月球早期和晚期的能量可能不一样。晚期,像30亿年以后的热量主要可能于内部的放射性生热元素,其中钍、铀、钾是三种最主要的生热元素。它们在地下随着时间的累计不断地衰变,并在衰变的时候放热,使得热量聚集,令石头融化。嫦娥五号的采样点刚好是一个比较富钍、富钾的区域。当然不管是我们采样的这个点,或者其他比嫦娥五号采样点更年轻的地方,都还比较局部、范围不是很大。但这目前是大家比较公认的一个推测原因。

三联生活周刊:那么早期的状况又有何不同?

三联生活周刊:月球上火山喷发的场景和我们在地球上看到的一样吗?

肖龙:它受两个条件制约:一个是月球的重力只有地球的1/6,另一个是月球没大气。在这样的环境下喷发,它会不一样。如果考虑低重力的原因,它可以喷得更高。另外岩浆流动的距离也跟重力有关系。月球上的岩浆流动得更远,喷发的物质飞得更高。因为没有大气,这些向上喷射的物质会均匀地落在旁边,不像大气的平流层、对流层会把火山灰搬来搬去。熔岩会由地势由高到低向外流淌,月球有很多岩浆形成的像河流一样的熔岩河,有几百公里、上千公里长。在地球上,我们现在很难看到这么长的熔岩河,早期即便有,也可能被地质运动毁掉了。

三联生活周刊:总体而言,目前科学界对于月球的火山活动有哪些认知?

肖龙:火山活动每个天体都有,地球不用说了,火星、水星、月球上也都有。火山活动的频率和强度都是随着时间的变化逐渐减弱的,包括地球也是一样,地球最后也会冷却,冷却后自然也就没有火山活动了。

月球的火山活动,根据阿波罗计划采回的样品已经做了比较好的研究。月球火山的大量喷发期大约是在39亿年到31亿年之间,差不多在40亿年到30亿年这10亿年间是最强的,慢慢变弱。

嫦娥五号的采样区有火山活动,但范围比较小,并不是全球性的。存在火山活动,与火山活动的分布和强度,是两个概念。实际上嫦娥五号采样区的火山活动,相当于整个月球火山活动的一个尾声。我们只是说它持续到了那个时间,但是它的活力是在降低的。火山活动,从强度分布来讲,是一个由强变弱的过程;从火山岩的性质上来讲,这些岩石有一些成分上的变化,特别是钛和铝的含量。所以当阿波罗计划的月球样品回来以后,研究者把这些玄武岩分成不同的化学类型,这方面已经做了很多的工作。嫦娥五号的月球样品中的玄武岩,是相对含钛比较高的。

月壤样品,可以帮助解释

月球的起源是什么吗?

三联生活周刊:通过对月球土壤进行采样,对我们解释地月关系以及月球起源会有一些帮助吗?

肖龙:我们现在所做的工作,还回答不了这些问题。样品回来以后,我们希望从里面看到一些解决问题的启示。但这不是我们的主要目标,目前没有专门针对这些问题进行一个设计。

关于月球的成因,有几种说法:地月同源说、分裂说、捕获说、大碰撞说。最流行的一种说法是大碰撞说,大家是比较认可的。阿波罗计划的样品已经获得了很多证据,支持地月具有同源性。通过对地球和月球的物质组成,还有同位素组成的比较,可以看到它们之间有多少关联、关联度是多少。

大碰撞假说认为,一颗火星大小的天体和地球撞击后的碎片,聚集并形成月球。那么,地球有多少物质进入到月球里面了?这个比例是多少?我们能不能区分出来?这实际上有一定的难度,因为不知道它混合的时候是不是很均匀。如果很均匀,可以检测;如果不均匀,是地球的物质多一点,还是原来撞击体的物质多一点?这些问题都不容易回答,需要去做很多工作。

押题,又有不同的最年轻火山岩形成的月壤(图7)

着陆器与上升器组合体模型左带回月壤容器的返回器实物右以及降落伞实物后肖龙 摄

三联生活周刊:月球土壤的元素含量和地球土壤的元素含量有什么异同之处?

肖龙:总体来说,大部分的硅酸盐矿物质是相似的。但是地球的土壤里除了最基本的物质成分,也就是岩石的碎屑粉末以外,还有很多有机质、微生物、空气、水。而月球的土壤里只有岩石的碎片,甚至一些陨石的碎片。因为没有水,月球的岩石一直都很新鲜。阿波罗11号采回来的火山岩,是三十几亿年前形成的,表面看起来就和刚刚喷出时的固结状态一模一样。地球上的岩石表面总是看起来脏兮兮的,是因为它发生了氧化作用、水化作用,这些过程使得岩石的表面变脏、不新鲜了。

三联生活周刊:我看到介绍里写道,嫦娥探月工程的一个重要计划是测量月亮全球的土壤厚度分布情况。

肖龙:这是嫦娥二号的任务。嫦娥二号是一个环绕探测器,上面有一个微波雷达,可以测月壤厚度在全球的一个变化,以及成分的差异。那么这样就可以计算出月球上有多少吨的月壤了。知道月壤的体积和单位体积中氦-3的丰度,首先很容易计算出比如氦-3的储存量。成分差异最大的是月球的高地和月海地区,高地地区主要是浅色的斜长岩,月海地区主要是黑色的玄武岩。它们的性质都不一样。那么,还是以氦-3举例,它主要在玄武岩形成的月壤里,在斜长岩形成的月壤里含量是比较低的。

了解月壤的厚度本身也有科学价值。比如月球在四十几亿年的撞击过程中,怎么从一个完整的石头表面被撞碎形成这么厚的土壤?另外月壤颗粒,比如上面很细到下面很粗,这个变化是什么样子的?这都是比较纯科学的一些问题。

此外,这对于我们了解地球早期的历史也很有帮助。地球早期也受了这么一系列撞击作用,只是后来地质活动很强烈,而且地球上有风、有水,一系列板块构造、风化、地质运动使得地球表面改变得比较厉害。而月球则相对比较简单,现在仍然保留了三十几亿年的地貌。通过研究月球上的信息,包括与火星上的信息进行对比,都可以帮助我们了解地球和太阳系早期的历史。这就是我们通常说的比较行星学的研究方法。

三联生活周刊:可否具体谈谈,通过比较行星学,对月球和火星的探索能够对了解地球、太阳系的形成有哪些帮助?

肖龙:应该说我们研究的最终目的是要研究地球的演化、太阳系的演化。怎么去做这个工作?一个很重要的方法就是对比研究。对比就得有一个参照物。地球是我们了解最多的天体,探测火星、月球后,我们就可以把它们的大小、质量、密度、大气、磁场、运行轨道等数据进行对标分析。

比如磁场,和地球不同,火星和月球没有全球性的磁场,是一开始就没有吗?还是后来消失了?再比如火山活动,地球到现在还有火山活动,月球按照能量学推测,它的火山活动持续到了十几亿年,火星可能持续到了1亿年左右,现在火星上有没有火山活动,还有争议,但至少比月球持续的时间更长。还有大气,地球现在的大气层是含有氧气的,但早期地球大气中是不含氧的。

火星的大气层则是以二氧化碳为主,没什么氧气。大气究竟是如何演化的?地球的大气将来会发生什么变化?我们常说金星是地球的姊妹星,离得比较近,大小也差不多,但金星的大气层有93个大气压,表面温度有五六百度,金星的环境为什么会变成这样子呢?所以类似的研究可以帮助我们了解太阳系的这八大行星,为什么大家差不多同一个时间出生,但是后面发展的道路、转变方向都非常不同。

本文相关词条概念解析:

月球

月球,俗称月亮,古时又称太阴、玄兔,是地球唯一的天然卫星,并且是太阳系中第五大的卫星。月球的直径是地球的四分之一,质量是地球的1/81,相对于所环绕的行星,它是质量最大的卫星,也是太阳系内密度第二高的卫星,仅次于木卫一。一般认为月亮形成于约45亿年前,地球出现后的不长时间。有关它的起源有几种假说;最被普遍认可的解释是,它形成于地球与火星般大小的天体-“忒伊亚”之间一次巨大撞击所产生的碎片。它的自转与公转同步(潮汐锁定),因此始终以同一面朝向着地球;正面标记着黑暗的火山熔岩海,中间夹杂着明亮和古老地壳的高地和显目的陨石坑。它是天空中除了太阳之外最亮的天体,尽管它呈现非常明亮的白色,但其表面实际很暗,反射率仅略高于旧沥青。由于月球在天空中非常显眼,再加上规律性的月相变化,自古以来就对人类文化如语言、历法、艺术和神话等产生重大影响。月球的引力影响造成地球海洋的潮汐和每一天的时间延长。月球现在与地球的的距离,大约是地球直径的30倍。而月球与太阳的大小比率与距离的比率相近,使得它的视大小与太阳几乎相同,在日食时月球可以完全遮蔽太阳而形成日全食。

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