信息来源：北京科学中心 发布时间： 2021-01-10
2021年1月9日，首都科学讲堂线上开讲，本次首都科学讲堂邀请了中国科学院天文台研究员郑永春，为大家带来题为《我们为何要研究月壤？》的精彩讲座。
我们为何要研究月壤？
2020年12月17日凌晨1时59分，嫦娥五号返回器成功着陆在内蒙古四子王旗预定区域，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成，探月工程圆满收官。本次任务共采集1731克月球样品，被移交给中国科学院国家天文台进行深入研究。科学家为何要登月“挖土”？月壤到底是怎么取样的，又将如何展开研究？
第一讲 科学家为何更喜欢研究月球岩石？
1969年至1972年这短短的三年间，美国共有12名宇航员登陆月球，采集了381.7公斤的月球岩石和土壤回到地球，这就是著名的阿波罗计划。
1976年美国总统特使访华的时候，送了1克阿波罗计划采集的月球样品给中国科学院，中国科学院把它交给中国科学院地球化学研究所，组织全国的科学家对其中的0.5克月岩进行研究，并发表了14篇论文。另外的0.5克月岩则被保存在北京天文馆进行展出。
阿波罗登月从月球上采集的岩石，每一块都有独特的编号。通过编号，可以追溯它是哪次任务、什么时候采集的，知道它的重量、大小、成分、矿物组成等，对采样地点的地质背景等相关信息都有完整的描述。
不同的月球岩石，来自于月球上的不同地区，蕴含着不同的月球信息。科学家会把它们切成薄片，在显微镜下观察，并进行微量元素和主量元素的分析，进行矿物组成的分析，进行同位素的定年，等等。通过这些细致而全面的研究工作，我们可以知道这块岩石的类型，它的形成年代，代表了当时什么样的形成环境。所以，从地质学家的角度来看，更喜欢月球的岩石，而不是月球的土壤。因为月球上同一个地方的土壤成分相对均一，所以只要有一个样品就够了，但每一块岩石都有独特的信息。
月球样品中颗粒直径大于1厘米的石块，都会被当做岩石来研究。直径小于1厘米被当做月壤进行研究。月壤中颗粒直径更细的物质，还会被当做月尘进行研究。
月球的岩石类型，要比地球上简单得多。月球上岩石基本上都是岩浆岩，因为它没有河流的搬运作用，所以也就没有沉积岩。它也没有高温高压的过程，所以也没有变质岩。月球上的岩石主要分为三大类，首先是斜长岩，主要分布在月陆地区，斜长岩的主要成分是铝和钙的硅酸盐，铝和钙组成了浅色的矿物，所以月陆的表面反射太阳光的能力较强，看起来比较明亮。月球上颜色比较深的地方叫月海，月海中分布的主要是玄武岩，这种岩石里面铁镁质的矿物含量比较高，所以看起来颜色偏黑。第三类岩石叫角砾岩，这种岩石里既有斜长岩的碎片，又有玄武岩的碎片，是因为微陨石的撞击产生的高温，把周围的岩石碎片熔融、黏结在一起，形成的一种新的岩石类型。
第二讲 月壤中藏着很多秘密
整个月球表面都覆盖着一层厚厚的月壤，不同的地方厚度也不同。月陆地区形成的历史更古老，月壤厚达8-10米；月海地区形成的年代相对较新，月壤厚度约为3-5米。
人类将来要利用的月球资源，其实都蕴含在月壤里。月壤就像地球上的一些粉尘，去过沙漠你就知道，脚印踩上去之后，边缘很快就塌掉了，因为砂砾之间的摩擦力很小，很难保持稳定的形状。但如果把沙子里掺上水，脚印就特别清晰，这是因为沙子之间的黏结力增强了，能够保持一定的形状。
在月球上踩下的脚印，就像在潮湿的沙滩上踩下的脚印。月球土壤是小天体和陨石撞击月球表面的岩石粉碎形成的，跟地球土壤由岩石风化、风沙和泥沙搬运，使得土壤颗粒相互摩擦变圆的方式不同，月壤颗粒棱角突出，呈多边形，颗粒之间的摩擦力很大。所以，月球表面的月壤一旦压实成型，比较容易保持原来的形状，这是月球土壤和地球土壤的差别。
月球上只有黑白灰三种颜色，没有彩色，但是月壤中却发现了一些绿色的、橘黄色的玻璃珠，可能是火山喷发形成的火山玻璃。通过对这些颗粒的研究，可以了解火山形成的过程，还能知道如何开发和利用这些月壤。
在美国休斯敦航天中心，我曾经亲眼看到月壤样品，触摸过月球岩石。在北京的一次国际学术交流会上，我有幸亲手触摸到了来自月球的土壤。当时，我手上拿着阿波罗登月采集的一罐月壤，它被密封在一个小罐子里面，我手上拿一根磁铁。当磁铁移动的时候，有一团月壤跟着磁铁一起移动。这就说明，月壤种含有单质的纳米铁，产生了很强的磁性，这是月壤的第二个重要性质。
纳米铁是怎么形成的？这非常有意思。月球上是真空，小行星、微陨石撞击月球表面之后，月壤中含有的氧化亚铁，跟来自太阳风的气体进行氧化还原反应，被还原成纳米级的单质铁。与地球上不同，这些单质铁在月壤中可以稳定存在。如果将来有能力在月球上选矿的话，用磁力分选的方式，就可以把这些纳米铁收集起来，加工成一些金属材料，而不必从地球上带过去。
第三讲 月壤的研究为何重要？
我们来看月球的土壤结构：表面有一层1-2厘米厚的月尘；然后是3-10米厚的月壤，月壤有的地方厚一点，有的地方薄一点，月壤里面其实还含有或埋有一些石块，这些石块有些大，有些小；月壤层之下才是真正的基岩，这就是整个月壤的结构，跟地球上的土壤结构非常相似。
月壤和月尘的研究为什么重要？我们知道，太阳会“刮”出太阳风，在太空里穿行，因为月球没有磁场，所以太阳风直接注入了月球的土壤和尘埃里。每一颗月壤颗粒、尘埃颗粒，都长时间饱受太阳风的侵袭。太阳耀斑产生的各种各样的高能粒子，也会注入月尘和月壤的颗粒里面去。还有来自于遥远的银河宇宙线，是非常高能的一些粒子，能够注入更深的深度，在月壤颗粒里留下深深的痕迹。
此外，月球还要遭受各种各样的陨石、微陨石的撞击，撞击过程会产生高温高压和熔融，一部分物质会气化，逃离月球。
所以每一颗月壤颗粒都是月球遭受各种境遇的记录，它受撞击的历史，被熔融的历史，遭受太阳风注入的历史，遭受银河宇宙线作用的历史，这些历史都会被记录在月壤颗粒里面，研究它当然会获得很多宝贵的信息。
第四讲 月尘的影响和威胁
最初，人类并不知道月球上有月尘，美国宇航员最早在月球上空飞过的时候，在地平线上看到了一团亮光，他们推测，那个地方可能有一些尘埃在散射太阳光，就跟我们在地平线上看到的一团亮光，实际上是地表的尘埃在散射太阳光，这就是月尘。宇航员手绘了他们看到的样子，把这种现象称为喷泉，就像喷泉的样子。
有了月球样品之后，在显微镜下观察发现，月尘非常细，粒度只有20微米以下，甚至还要小得多。对在月球表面工作的宇航员有很大的威胁。阿波罗登月的时候就碰到一些问题，比如，拍到的照片非常模糊，宇航员不得不拿手去擦镜头，把灰尘擦掉。
宇航员登陆月球之后，回到登月舱的时候，宇航服上、靴子上都会沾染上月尘，月尘带有静电、具有黏附性，沾在身上之后很难掉下来。有些月尘会进入呼吸道，就跟我们吸入PM2.5一样，我们说的PM2.5，其实是2.5微米的颗粒直径，月尘的颗粒里有很多PM2.5，但它跟地球上的PM2.5不一样，因为它有毒性，能侵入人体，进入呼吸道，在肺部会沉积，严重威胁人体健康，所以必须认真对待。就像阿波罗17的宇航员说的那样，（他们）能够克服月球上的所有问题，除了月尘。
我曾经和医学专家合作，拿小鼠来做实验，把模拟月尘注入到小鼠的肺内之后发现，小鼠的呼吸系统出现问题。所以，月尘会对人的生理和心理都产生危害。
月尘颗粒虽然非常细，但是它非常尖锐，就像极细的玻璃渣。月尘颗粒进入宇航服的关节部位，导致面料磨损，宇航服漏气。一旦漏气就会缩短宇航员的月面停留时间，威胁他们的生存。
月尘也会积累在科学仪器的表面，因为月尘吸收热量的能力，跟仪器吸收热量的能力是不一样的，所以会对航天器的散热过程、热量管理、温度控制产生重要的影响。月尘覆盖在仪器仪表上面，使读数困难。月尘甚至会影响宇航员在月面的安全行走。曾经有一条电缆被月尘覆盖后难以看到，宇航员行走时没有注意到脚下的电缆被绊倒了。要知道宇航员穿着上百斤重的宇航服，一旦摔跤是非常危险的，所以必须慎重对待月尘。
第五讲 为何要研究模拟月壤？
阿波罗计划的教训，是因为人类对月球表面的了解非常有限，对月壤的特性、月尘的影响缺少了解，航天器发射之前在地面上缺少分析测试和深入研究，使真正执行登月任务时面临意外情况。如何避免意外的发生，就需要研制模拟月壤和模拟月尘，加深对月面环境的理解。
研制模拟月壤，需要在地球上寻找跟月壤和月尘成分相近的物质，这些物质是地球上的天然岩石和矿物。经过加工之后，模拟月壤与真实的月壤具有相似的颗粒形状和大小，具有相似的物理性质，可以用它来替代真实的月壤进行科学研究。
比方说，月球车在模拟实验场进行测试的时候，就要用模拟月壤来铺设一个实验场；着陆器登陆月球的实验，就要用模拟月壤来进行实验；利用月壤生产氧气的实验，是要消耗月壤的，但是真正的月壤非常珍贵，不可能用来实验，就需要用模拟月壤来代替。模拟月壤的目的，是通过实验了解月球探测面临的问题，以及未来在月球上生存需要解决的资源利用问题。
第六讲 月球将成为一个永不坠落的天然空间站
中国探月工程已经圆满收官，下一步努力的目标就是登月和月球驻留。所以，“绕、落、回”三步走已经实现，“探、登、驻”三个阶段的登月和驻月正在路上。
接下来，还会在月球上建立无人科考站，开始载人登月；然后是建立有人值守的月球基地，再从月球出发，去往更遥远的火星。只有当人类在地球和月球之间能够来去自如的时候，从地球出发移民火星的时间也就不远了。
月球是离地球最近的自然天体，也是地球唯一的天然卫星，中国人对月亮充满了感情，在中国人的叙事中，月亮是一个温暖的故乡，我们有很多关于月亮的神话故事、诗词歌赋，比如，嫦娥奔月、吴刚伐桂、玉兔捣药、蟾宫览胜……未来二三十年内，中国人将从地球出发，在月球上建立永久的基地，这个基地可能是小规模的。然后，月球基地会作为人类走向深空的中转站和跳板，月球将会成为一个永不坠落的天然空间站。
从月球上可以观测星空，成为一个天文研究基地；可以从月球上监测地球，成为一个对地监测站；还可以了解月球跟地球之间的差异，以更好地理解我们的家园——地球。
