2020年12月17日1時(shí)59分，嫦娥五號(hào)返回器攜帶月球樣品在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸，探月工程嫦娥五號(hào)任務(wù)取得圓滿成功。

　　

　　內(nèi)蒙古四子王旗著陸區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的嫦娥五號(hào)返回器（國(guó)家航天局）

　　可能會(huì)有人問，我們?yōu)槭裁匆M(fèi)這么大力氣采集月壤，研究月壤呢？在嫦娥五號(hào)之前，中國(guó)還沒有去月球采過樣，是不是一直沒研究過月壤？

　　其實(shí)不然，我們已經(jīng)對(duì)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(hào)著陸月面（動(dòng)圖，素材來(lái)源見水?。?/p>

　　在記錄嫦娥四號(hào)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(hào)月球車緩緩從著陸器駛下，開始了在月球背面的巡視探測(cè)，在月球背面刻下了第一道醒目的車轍（圖2）。

　　

　　圖2. 玉兔二號(hào)倩影和月表上的車轍（圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家航天局）

　　這條車轍已長(zhǎng)達(dá)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(jiān)硬的巖石，而是覆蓋了一層松散的土壤，科學(xué)家稱之為“月壤”。

　　網(wǎng)上有個(gè)很有趣的問題，“當(dāng)年各國(guó)收到美國(guó)贈(zèng)送的月壤后，是如何確認(rèn)月壤真的來(lái)自月球的？”

　　圖3.問題描述（圖片來(lái)源：知乎）

　　從嫦娥四號(hào)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(shí)只要對(duì)月壤樣品進(jìn)行研究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們差別很大。

　　人類目前擁有的月壤，均來(lái)自9次任務(wù)。阿波羅登月計(jì)劃的6次任務(wù)，一共從月球正面的6個(gè)不同地點(diǎn)采集并帶回了382公斤的月球樣品，其中約1/3是月壤；蘇聯(lián)的3次月球號(hào)任務(wù)，也采回了300克左右的月壤樣品。（當(dāng)然，嫦娥五號(hào)任務(wù)順利開展后，這些數(shù)據(jù)都將增長(zhǎng)。）

　　通過對(duì)這些樣品的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除了粒度都很細(xì)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，是一層疏松的物質(zhì)，是由巖石風(fēng)化形成的細(xì)粒礦物質(zhì)，添加了有機(jī)質(zhì)和水，含有微生物等。地球上土壤的形成，除了化學(xué)、物理作用之外，生物的活動(dòng)是其最重要的特征。此外，我國(guó)西北地區(qū)廣泛分布的黃土，是一種比較特殊的土壤，主要由風(fēng)力搬運(yùn)、沉積形成。黃土逐年堆積，因此還記錄了長(zhǎng)達(dá)200多萬(wàn)年的氣候變化歷史。

　　月球沒有大氣、沒有水、更沒有生物。那么月壤又是怎樣形成的？

　　由于沒有大氣，月壤被直接暴露在太陽(yáng)輻射和微隕石的轟擊之下，組成和物理性質(zhì)發(fā)生改變，科學(xué)家們將這個(gè)過程稱為“太空風(fēng)化”，從而與地球上在大氣、水和生物共同作用下的“地表風(fēng)化”相區(qū)別。

　　月壤的形成過程沒有生物活動(dòng)參與，沒有有機(jī)質(zhì)，還極度缺水干燥；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(chǎng)保護(hù)，太陽(yáng)風(fēng)（主要由氫離子等組成）會(huì)注入到粉塵顆粒表面，將礦物中的二價(jià)鐵離子還原成納米金屬鐵微粒，從而改變其電磁特征、光譜特征（顏色）等。

　　另外，月球表面經(jīng)常被隕石以每秒10多公里的速度撞擊，巨大的能量會(huì)使月表一部分物質(zhì)熔融，形成玻璃，還有一部分物質(zhì)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。

　　有讀者可能會(huì)產(chǎn)生疑問，月壤只不過是月球表面的塵土，為什么還要研究它呢？其實(shí)，研究月壤不僅對(duì)探月非常重要，還能幫助我們了解太陽(yáng)系、了解地球。

要想探月，必須研究月壤

　　 可以這么說(shuō)，月壤對(duì)于探月工程的實(shí)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(huán)繞月球軌道上的所有探測(cè)器直接探測(cè)的對(duì)象并非巖石，而是月壤。但是，由于太空風(fēng)化作用，月壤的物質(zhì)組成和光譜性質(zhì)發(fā)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(jié)果很可能存在偏差。

　　月壤的特點(diǎn)導(dǎo)致它對(duì)探月儀器和宇航員都形成了不小的威脅。開展無(wú)人著陸和巡視探測(cè)時(shí)，從月壤表面揚(yáng)起的月塵，會(huì)覆蓋在各種載荷的傳感器表面，以及充填在儀器和機(jī)械的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)縫隙，直接對(duì)工程的實(shí)施構(gòu)成安全威脅。

　　

　　圖4. 宇航服上粘滿月塵的阿波羅宇航員（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(fā)生了改變，因此月壤的粘附力很強(qiáng)，宇航員出艙進(jìn)行科學(xué)考察時(shí)，全身極易粘滿月壤顆粒（圖4）。這些月壤顆粒雖然極微細(xì)，卻像刀尖一樣銳利，很可能給宇航員的安全帶來(lái)重大威脅。

　　因此，對(duì)月壤的認(rèn)識(shí)和研究是月球探測(cè)，以及未來(lái)建立月球基地、利用月球等不可或缺的基礎(chǔ)。

月壤還是未來(lái)月球資源的首選利用對(duì)象

　　除了對(duì)探月工程意義重大，月壤本身就是一種寶貴的資源。

　　我國(guó)已經(jīng)成功實(shí)施了月球探測(cè)“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(cè)的新趨勢(shì)，就是從相對(duì)單純的“科學(xué)探測(cè)”向“科學(xué)與應(yīng)用并重”轉(zhuǎn)變，月球資源利用已成為預(yù)先研究的重要內(nèi)容。

　　需要在月球上開采、帶回地球的資源很少，最重要的是氦-3。氦-3是未來(lái)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(chǎn)生的氦-4。氦-3主要存在于太陽(yáng)，通過太陽(yáng)風(fēng)注入到月壤中（地球的磁場(chǎng)保護(hù)了地球，但同時(shí)也擋掉了氦-3）。因此，未來(lái)有可能從月壤中提取氦-3，帶回地球供核聚變使用。

　　我國(guó)一直在論證嫦娥四期任務(wù)，計(jì)劃在月球上建一個(gè)“基本款”科研站。月球是一個(gè)巨大無(wú)比的天然空間站，是人類深空探測(cè)的前哨站。月球資源將更多被應(yīng)用于未來(lái)月球基地本身的構(gòu)建和運(yùn)行。例如，未來(lái)可以采用3D打印技術(shù)，利用月壤修建月球基地；從月壤中提取太陽(yáng)風(fēng)注入的氫，通過與鈦鐵礦反應(yīng)生成水和金屬鐵；從月球南北二極永久陰影區(qū)提取凝結(jié)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(jīng)濟(jì)可行的方案，能夠避免開采和破碎堅(jiān)硬巖石的巨大消耗。

　　 

圖5. 科幻電影中的月球基地（圖片來(lái)源：《2001太空漫游》）

月壤是本書，藏著太陽(yáng)、地球和月球的秘密

　　研究月壤的意義不止于此。

　　月壤中藏著太陽(yáng)的秘密。由于月壤一直受到太陽(yáng)的輻射，太陽(yáng)的物質(zhì)以太陽(yáng)風(fēng)的形式被注入到月壤顆粒得到保存。因此，從月壤顆?？梢蕴崛　⒉⒎治鎏?yáng)的樣品。完整的月壤剖面，記錄了長(zhǎng)達(dá)30多億年的太陽(yáng)輻射歷史和注入的太陽(yáng)物質(zhì)。

　　月壤中還藏著地球的秘密。月球自形成以來(lái)，一直在不斷遠(yuǎn)離地球。在地質(zhì)歷史早期，月球遠(yuǎn)比今天更靠近地球。除了太陽(yáng)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。因此，月球正面的月壤還注入了來(lái)自古老地球的大氣物質(zhì)?？茖W(xué)家提出，通過比較月球正面和背面的月壤，可以識(shí)別出來(lái)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(chǎng)(Ozima, et al, 2005; Wei, et al, 2020)。

　　最后，月壤中當(dāng)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(lái)的物質(zhì)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(lái)的隕石撞擊歷史，而且，這段記錄同樣也適用于地球。與地球相比，月球是一臺(tái)完美的記錄儀，保存了地球-月球區(qū)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(zhì)作用擦除了，在地球表面發(fā)現(xiàn)的隕石坑僅有170多個(gè)。

嫦娥五號(hào)將帶我們尋覓更多月壤奧秘

　　返回月壤樣品的量并不多，如果沒有樣品，我們還能研究月壤嗎？

　　當(dāng)然可以。

　　以我國(guó)的探月任務(wù)為例，嫦娥四號(hào)就帶來(lái)了關(guān)于月壤的新發(fā)現(xiàn)。

　　

　　圖6. 通過嫦娥四號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)月壤的形成是一個(gè)反復(fù)破碎、壓實(shí)成巖、再破碎的過程(Lin, et al, 2020b)

　　月球車玉兔二號(hào)攜帶了3臺(tái)重要的儀器——全景相機(jī)、探月雷達(dá)、成像光譜儀，開展了多方面科學(xué)探測(cè)，得到了大量數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家根據(jù)這些數(shù)據(jù)，獲得了對(duì)月球內(nèi)部物質(zhì)組成、早期撞擊歷史、巖漿噴發(fā)歷史、以及月壤形成機(jī)制和太空風(fēng)化特性等新的認(rèn)識(shí)。

　　雖然嫦娥四號(hào)在月球上開展的探測(cè)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?qū)嶒?yàn)室中開展精細(xì)的研究。

　　隨著嫦娥五號(hào)探測(cè)器的成功發(fā)射，中國(guó)科學(xué)家們的這個(gè)夢(mèng)想距離實(shí)現(xiàn)又近了一步。

　　嫦娥五號(hào)是我國(guó)月球探測(cè)第一階段“繞、落、回”的最后一步，預(yù)計(jì)將從月球表面采集2公斤左右的樣品返回。這也是繼阿波羅計(jì)劃和月球號(hào)計(jì)劃之后，人類再次采集月球樣品。而且，嫦娥五號(hào)的著陸區(qū)不同于以往的9個(gè)地點(diǎn)，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(gè)月球晚年的故事。任務(wù)計(jì)劃在著陸地點(diǎn)鉆取一根2米長(zhǎng)左右的月壤巖芯，從而帶回該地區(qū)10多億年以來(lái)所發(fā)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(lái)自相當(dāng)大一片區(qū)域的巖石碎片。利用現(xiàn)代的微區(qū)微束分析技術(shù)，科學(xué)家將解開月球10多億年以來(lái)的火山活動(dòng)和隕石撞擊歷史，理解這一區(qū)域火山活動(dòng)持續(xù)如此之久的秘密。

　　航天人與科學(xué)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(xiàn)：

　　XJ. Huang, Z. Xiao, L. Xiao, B. Horgan, X. Hu, P. Lucey, X. Xiao, S. Zhao, Y. Qian, H. Zhang, et al. (2020) Diverse rock types detected in the lunar South Pole–Aitken Basin by the Chang’E-4 lunar mission. Geology.

　　C. Li, D. Liu, B. Liu, X. Ren, J. Liu, Z. He, W. Zuo, X. Zeng, R. Xu, X. Tan, et al. (2019) Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials. Nature 569, 378-382.

　　H. Lin, Z. He, W. Yang, Y. Lin, R. Xu, C. Zhang, M.-H. Zhu, R. Chang, J. Zhang, C. Li, et al. (2020a) Olivine-norite rock detected by the lunar rover Yutu-2 likely crystallized from the SPA impact melt pool. National Science Review 7, 913–920.

　　H. Lin, Y. Lin, W. Yang, Z. He, S. Hu, Y. Wei, R. Xu, J. Zhang, X. Liu, J. Yang, et al. (2020b) New Insight Into Lunar Regolith-Forming Processes by the Lunar Rover Yutu-2. Geophys. Res. Lett. 47, e2020GL087949.

　　M. Ozima, K. Seki, N. Terada, Y. N. Miura, F. A. Podosek, H. Shinagawa. (2005) Terrestrial nitrogen and noble gases in lunar soils. Nature 436, 655-659.

　　Y. Wei, J. Zhong, H. Hui, Q. Shi, J. Cui, H. He, H. Zhang, Z. Yao, X. Yue, Z. Rong, et al. (2020) Implantation of Earth's Atmospheric Ions Into the Nearside and Farside Lunar Soil: Implications to Geodynamo Evolution. Geophys. Res. Lett. 47, e2019GL086208.