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航天器，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，而是覆蓋了一層松散的土壤，科學(xué)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?yōu)槭裁匆M這么大勁去研究月壤，又如何研究月壤呢？
月壤與地球土壤有何不同？
網(wǎng)上有個很有趣的問題，“當(dāng)年各國收到美國贈送的月壤后，是如何確認(rèn)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(fā)現(xiàn)它們差別很大。
人類目前擁有的月壤，均來自9次任務(wù)。阿波羅登月計劃的6次任務(wù)，一共從月球正面的6個不同地點采集并帶回了382公斤的月球樣品，其中約1/3是月壤；蘇聯(lián)的3次月球號任務(wù)，也采回了300克左右的月壤樣品。
通過對這些樣品的研究，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，生物的活動是其最重要的特征。此外，我國西北地區(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、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參與，沒有有機質(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，月球沒有磁場保護，太陽風(fēng)（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，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
可以這么說，月壤對于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(huán)繞月球軌道上的所有探測器直接探測的對象并非巖石，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。
月壤的特點導(dǎo)致它對探月儀器和宇航員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(gòu)縫隙，直接對工程的實施構(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，宇航員出艙進行科學(xué)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(xì)，卻像刀尖一樣銳利，很可能給宇航員的安全帶來重大威脅。
因此，對月壤的認(rèn)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(chǔ)。
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(jīng)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(xué)探測”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，通過太陽風(fēng)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(wù)，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(yīng)用于未來月球基地本身的構(gòu)建和運行。例如，未來可以采用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)濟可行的方案，能夠避免開采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太空漫游》）
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于此。
月壤中藏著太陽的秘密。由于月壤一直受到太陽的輻射，太陽的物質(zhì)以太陽風(fēng)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、并分析太陽的樣品。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(zhì)。
月壤中還藏著地球的秘密。月球自形成以來，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自古老地球的大氣物質(zhì)。科學(xué)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。
如果沒有返回地球的樣品，我們?nèi)绾窝芯吭氯溃?/strong>
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。
以我國的探月任務(wù)為例，嫦娥四號就帶來了關(guān)于月壤的新發(fā)現(xiàn)。
圖6. 嫦娥四號著陸區(qū)(Zhang, et al, 2020)
嫦娥四號的著陸區(qū)位于月球南極-艾肯盆地中的馮·卡門撞擊坑（圖6）。南極-艾肯盆地直徑約2500公里，深達13公里，打開了一扇月球內(nèi)部的窗口，從而可以直接探測月球內(nèi)部的物質(zhì)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(xué)探測，得到了大量數(shù)據(jù)。科學(xué)家根據(jù)這些數(shù)據(jù)，獲得了對月球內(nèi)部物質(zhì)組成、早期撞擊歷史、巖漿噴發(fā)歷史、以及月壤形成機制和太空風(fēng)化特性等新的認(rèn)識。
利用全景相機，科學(xué)家們獲得了著陸區(qū)和巡視路線上的高分辨立體影像圖。與嫦娥四號著陸區(qū)多石塊的表面相比，馮·卡門撞擊坑表面幾乎沒有石塊。說明這里月壤的形成經(jīng)過了很長的時間，原有的石塊都被砸碎了。
探月雷達向下發(fā)射了2束電磁波，根據(jù)回波信號獲得月表下的信息。頻率高的一束用于探測月壤的精細(xì)結(jié)構(gòu)，但能探測的深度較淺（約50米）；頻率低的一束用于探測月壤下面的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)，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，這里的月壤很厚，達到了12米。作為對比，由于技術(shù)能力的限制，阿波羅計劃月壤鉆機只能鉆取到2米左右，遠(yuǎn)比實際月壤厚度要淺。在嫦娥4號著陸區(qū)，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(jié)合區(qū)域影像，雷達探測結(jié)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?xùn)|北角的芬森坑拋射過來的，并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(fā)現(xiàn)，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(fā)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(fù)責(zé)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(biāo)從0.4到2.4微米波段的反射光譜，然后解算出不同礦物的含量，發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)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(qū)域月壤的光譜受到強烈太空風(fēng)化作用的影響，因此解算出的結(jié)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(fēng)化的影響很弱。
科學(xué)家從石塊光譜解算出各種礦物的含量，再結(jié)合這些礦物顆粒度較細(xì)小的特點，提出了這些月表物質(zhì)的形成機制，即產(chǎn)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(zhì)熔融，形成一個巖漿湖，然后分異結(jié)晶形成該盆地的基底(Lin, et al, 2020a)。隨后，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(qū)，再經(jīng)過長期的隕石撞擊將大部分物質(zhì)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(fā)現(xiàn)有一些奇特的小坑，它們的表面填滿了塊狀的物質(zhì)（圖10）。
圖10. 玉兔二號巡視路徑上的碎石坑(Lin, et al, 2020b)
這些碎石坑是怎么形成的？雷達探測結(jié)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(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些碎石狀物質(zhì)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(jù)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，另一方面也使疏松的月壤壓實、部分熔融膠結(jié)成塊，并被后面的撞擊挖掘、拋射出去。因此，月壤的形成是一個反復(fù)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?qū)嶒炇抑虚_展精細(xì)的研究。就在今年，嫦娥五號將幫助科學(xué)家們實現(xiàn)這個夢想。
嫦娥五號是我國月球探測第一階段“繞、落、回”的最后一步，預(yù)計將從月球表面采集2公斤左右的樣品返回。這也是繼阿波羅計劃和月球號計劃之后，人類再次采集月球樣品。而且，嫦娥五號的著陸區(qū)不同于以往的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(wù)計劃在著陸地點鉆取一根2米長左右的月壤巖芯，從而帶回該地區(qū)10多億年以來所發(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多億年以來的火山活動和隕石撞擊歷史，理解這一區(qū)域火山活動持續(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。
文章來源：科學(xué)大院
作者：林楊挺/中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所
參考文獻：
[1] C. Ding, Z. Xiao, B. Wu, Y. Li, N. C. Prieur, Y. Cai, Y. Su, J. Cui. (2020) Fragments Delivered by Secondary Craters at the Chang'E-4 Landing Site. Geophys. Res. Lett. 47, e2020GL087361.
[2] S. Gou, K. Di, Z. Yue, Z. Liu, Z. He, R. Xu, H. Lin, B. Liu, M. Peng, W. Wan, et al. (2019) Lunar deep materials observed by Chang'e-4 rover. Earth Planet. Sci. Lett. 528, 115829.
[3] S. Gou, Z. Yue, K. Di, J. Wang, W. Wan, Z. Liu, B. Liu, M. Peng, Y. Wang, Z. He, et al. (2020) Impact melt breccia and surrounding regolith measured by Chang'e-4 rover. Earth Planet. Sci. Lett. 544, 116378.
[4] J. 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.
[5] 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.
[6] 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.
[7] 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.
[8] 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.
[9] 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.
[10] J. Zhang, B. Zhou, Y. Lin, M.-H. Zhu, H. Song, Z. Dong, Y. Gao, K. Di, W. Yang, H. Lin, et al. (2020) Lunar regolith and substructure at Chang’E-4 landing site in South Pole–Aitken basin. Nature Astronomy.
責(zé)任編輯：榮瀟
