月球“土”特產(chǎn)里面有什么寶

2020年12月17日凌晨，歷經(jīng)10多天的太空工作，嫦娥五號攜帶來自風(fēng)暴洋呂姆克山的2千克月壤返回地面。這是1976年蘇聯(lián)月球24號帶回100多克月球樣本以來，人類再一次得到來自月球的“土”。

嫦娥五號采回的相對年輕的地體樣本，有望幫助科學(xué)家推進對月球演化歷史的認識，揭開月球的身世之謎。

有關(guān)月亮形成的傳說

月球，是距離人類生存的地球最近的一顆星。月球如何形成，和地球又有什么關(guān)系——人們對月球的身世一直充滿強烈的好奇心。

20世紀(jì)以來，科學(xué)家先后提出4種不同的月球起源假說：月球和地球在同一個系統(tǒng)里吸積氣體和塵埃而成“雙星吸積說”、由地球早期自轉(zhuǎn)過快而甩出去的“分裂說”、是地球引力捕獲衛(wèi)星的“捕獲說”以及由其他行星撞擊地球形成的“大撞擊說”。

其中，“大撞擊說”被越來越多的科學(xué)家所接受。大約在45.6億年前太陽系誕生之初，八大行星基本成形。但太陽系的宇宙空間中，仍然“飄浮”著大大小小的星體?！按笞矒簟奔僬f認為，約在45億年前，一顆火星大小的天體撞上了原始地球。巨大的能量使整個撞擊體和地球的外圈層物質(zhì)被熔融、氣化和混合，其中一部分逐漸聚集形成了月球。

為了證明“大撞擊說”，科學(xué)家采用了各種各樣的辦法。例如，上世紀(jì)六七十年代，美國阿波羅計劃陸續(xù)從月球帶回了總重達382千克的巖石，為人類了解月球提供了的樣本。

而探測數(shù)據(jù)顯示，月球物質(zhì)中揮發(fā)性組分大量丟失、金屬核很小但與地球具有相似的氧化還原程度等等，都可以成為支持這一假說的證據(jù)。

同時，過去很長一段時間里，月球隕石也成為人類了解月球的一扇窗口。地球化學(xué)研究者通過對月球隕石阿波羅月巖樣品的研究發(fā)現(xiàn)，地球和月球上氧的同位素的組成相同。這意味著，月球與地球存在相同的“基因”。

不過，阿波羅計劃在月球上取樣范圍畢竟有限，而月球隕石來源的不確定性和遙感探測獲得信息的局限性總是像“隔靴搔癢”?？茖W(xué)家期待，要是從月球上更多的地方挖回來“真土”，就能夠提供更多有關(guān)“大撞擊說”的證據(jù)。

在美蘇探月之后，時隔半個世紀(jì)，嫦娥五號承擔(dān)起這一重任。12月1日晚間，嫦娥五號探測器穩(wěn)穩(wěn)降落在月球正面風(fēng)暴洋北部呂姆克山、夏普月溪附近。這是中國探測器第三次在月球表面成功軟著陸，也是人類探測器首次踏足月球上的這一區(qū)域。

“巖漿洋”：一塊重要的拼圖

自12月1日23時著陸后，嫦娥五號在月面工作近19個小時后完成月球鉆取采樣及封裝。

根據(jù)前期遙感影像資料，嫦娥五號著陸區(qū)是大約13億～20億年前形成的玄武巖，不同于以往9個地點，也是最年輕的月球火山巖。和月球45億年的年齡相比，這里是非?！澳贻p”的地區(qū)。此前，嫦娥四號在月球背面更加古老的南極-艾特肯盆地著陸，那里被認為大約在42億～43億年前形成。

回到“大撞擊說”上，“巖漿洋假說”可以被視為大撞擊的結(jié)果之一，也是證實“大撞擊說”的重要拼圖。1969年發(fā)射的阿波羅11號帶回對月球化學(xué)成分研究至關(guān)重要的樣品——包含鈣、鋁及二氧化硅成分的“斜長巖”。

據(jù)國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在1970年1月刊登的一篇文章，美國史密森尼天文臺的研究人員在1676塊月球巖石碎片中發(fā)現(xiàn)了61塊斜長巖，特別是在月球上表面明亮的高地勢地區(qū)。這些新發(fā)現(xiàn)給了他們極大的啟示——斜長巖的密度較小，在巖漿中能夠漂浮在頂部。

據(jù)此，他們提出一種新的月球演化模型，即巖漿洋假說。這一假說指的是，大撞擊后形成的月球被一層全球性的巖漿覆蓋，形成了約400公里甚至更深的巖漿洋。

這是一幅無比壯觀又難以想象的畫面：在距離我們最近的一顆星球上，曾經(jīng)覆蓋著漫無邊際、熾熱的巖石熔融體。好比一鍋熱湯，剛開始冷卻的時候，更重的物質(zhì)橄欖石和輝石首先結(jié)晶析出，堆積在最底部，然后輕一些的斜長石結(jié)晶漂浮到月球表面聚集形成斜長巖高地。

2019年5月，就在嫦娥四號抵達月球半年后，中科院國家天文臺研究員李春來帶領(lǐng)的團隊在《自然》上發(fā)表相關(guān)結(jié)果。嫦娥四號在就位光譜探測中發(fā)現(xiàn)了來自月球深部的橄欖石和低鈣輝石。這不僅直接揭示了月幔物質(zhì)的組成，也成為支持“巖漿洋假說”的有力證據(jù)。

另一項有力證據(jù)來自嫦娥三號探測到的信號。當(dāng)巖漿洋“熱湯”不斷冷卻固化，殘留巖漿中的不相容元素含量逐漸升高，最終留下富集鉀、稀土元素、磷的特殊月巖——克里普巖。

2015年，根據(jù)“玉兔號”發(fā)回的微量元素信息，中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員林楊挺團隊推斷，“嫦娥三號”著陸區(qū)的玄武巖含有10%～20%“克里普巖”物質(zhì)。

月壤寶藏——氦-3

月壤覆蓋在整個月球表面，是由巖石碎屑、礦物顆粒、玻璃、隕石碎片、粘合集塊巖等組成的松散堆積物。

與地球土壤的形成過程不同，月壤是在隕石和微隕石的頻繁撞擊、撞擊濺射物堆積、宇宙射線和太陽風(fēng)的轟擊，以及劇烈的溫差促使月表巖石熱脹冷縮破碎等機械作用下最終形成的。月壤的堆積速度極其緩慢，大約1億年可以堆積到1.5～3米厚，比地球土壤形成要困難得多。

月壤成分非常復(fù)雜，最令人矚目之處在于它蘊含著豐富的氦-3。氦-3有許多有趣的特點：液氦可以產(chǎn)生奇特的膜移動現(xiàn)象，在約零下271攝氏度的低溫下會出現(xiàn)“超流”，能沿容器壁向上流動，比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。

氦-3為地球能源問題提供了一種解決方案。它是優(yōu)良的核反應(yīng)原料，1公斤氦-3和0.67公斤氘發(fā)生核反應(yīng)，將產(chǎn)生相當(dāng)于一個100萬瓦發(fā)電廠19年發(fā)電量的能量，核發(fā)電效率非常高。而且氦-3在聚變過程中不產(chǎn)生中子，放射性小，反應(yīng)過程易于控制，既環(huán)保又安全。

氦-3最初是在太陽上由熱核反應(yīng)形成，然后借太陽風(fēng)撒向四面八方，只有很少的量能到達地球和別的行星。因為大氣層和磁場的阻礙，它們很難落在地球表面。月球幾乎沒有大氣層和磁場，所以太陽風(fēng)攜帶的微粒便能順順當(dāng)當(dāng)?shù)芈湓谠虑蛏?，“陷進”月面浮土里。

月壤中海量的氦-3儲量可以滿足人類上千年的能源需求。這讓尋找新能源的科學(xué)家們看到了希望。

月巖石、玄武巖，工業(yè)用途廣

月球表面的各種巖石本身非常有紀(jì)念意義，因為它們有最古老的歷史。目前地球上能找到最古老的巖石年齡約為38億年，更久遠的就找不到了。

根據(jù)同位素的分析結(jié)果顯示，月殼高地巖石的形成年齡為42億～43億年，是目前為止發(fā)現(xiàn)的“最老”的巖石。它不僅揭示了月球巖石類型、月球的總體成分特征及其化學(xué)演化歷史等，同時還蘊含著太陽系行星、衛(wèi)星早期演化歷史的重要科學(xué)信息。

氦-3 為地球能源問題提供了一種解決方案。它是優(yōu)良的核反應(yīng)原料，1公斤氦-3 和0.67公斤氘發(fā)生核反應(yīng)，將產(chǎn)生相當(dāng)于一個100 萬瓦發(fā)電廠19年發(fā)電量的能量，核發(fā)電效率非常高。

除了古老，月殼高地主要巖石類型有富含硅、鋁、鈣、鈉的斜長巖，富含鎂的結(jié)晶巖套和富含鉀、稀土元素、磷的克里普巖，它們都各有特色且具有很大的開發(fā)價值。

克里普巖在月球上分布廣泛，它是巖漿分異或殘余熔漿結(jié)晶形成的富含揮發(fā)元素的巖石，也被稱為“月球上的花崗巖”?？死锲諑r的主要礦物成分有長石、輝石、二氧化硅礦物和不透明礦物，不含或含極其微量的橄欖石，克里普巖中的鉀元素、磷元素、稀土元素、釷元素及鈾元素的含量頗豐。

上述這些都在地球上有非常廣泛的用途，稀土元素應(yīng)用于國防工業(yè)、冶金、機械、石油、化工、玻璃、陶瓷、紡織、皮革、農(nóng)牧養(yǎng)殖等領(lǐng)域。釷可以制作合金、催化劑、高溫陶瓷材料、光電管、電子管、特殊焊條以及吸氣劑等，還是制造高級透鏡的常用原料;釷也是潛在的核燃料，經(jīng)過中子轟擊它可以轉(zhuǎn)化為鈾233，有重要的能源用途。

降落相機拍攝的著陸區(qū)域影像圖。圖片國家航天局網(wǎng)站

如果去月海游覽，這里的“特產(chǎn)”就要數(shù)玄武巖了。 從地球看月亮，會發(fā)現(xiàn)月亮表面有明有暗，早期的觀察者以為這些地方被海水覆蓋，稱它們?yōu)樵潞?。實際上，月球本身并不發(fā)光，而是反射太陽光，月海也沒有水，之所以暗淡是因為里面遍布玄武巖，反射率比較低，所以看起來月海部分都是暗灰色的。

玄武巖是地下巖漿從火山中噴出或從地表裂隙中溢出后，經(jīng)冷卻凝結(jié)而形成的火成巖。玄武巖巖漿的黏度小，易于流動，形成很大的覆蓋層，常形成廣大的熔巖臺地，分布很廣。

月球上的玄武巖有很大開發(fā)價值。從美國6次阿波羅計劃和蘇聯(lián)3次月球號探測器帶回的月球樣品分析結(jié)果表明，玄武巖中鈦鐵礦含量較高。鈦鐵礦是提煉鈦和二氧化鈦的主要礦物，純鈦和鈦合金是新型的結(jié)構(gòu)材料，在航天工業(yè)和航海工業(yè)中應(yīng)用巨大;二氧化鈦俗稱“鈦白”，是一種優(yōu)良的白色涂料，在光觸媒、化妝品等工業(yè)領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。這些資源不僅對人類在地球上的生產(chǎn)生活非常重要，而且在未來的月球基地建設(shè)中也有重要的作用。玄武巖中鈦鐵礦可以提供鐵、鈦和氧，與氫反應(yīng)產(chǎn)生的水將是月球基地獲取水資源的重要途徑之一。

別致的顏料——月塵

當(dāng)我們離開月面返回航天器，抖抖身上的衣服，會得到另外一種月球的“饋贈”——月塵。月塵與月壤、月球巖石的成分一致，主要來源于月球表面的風(fēng)化碎屑物，在隕石轟擊、太陽風(fēng)和宇宙射線以及巨大的晝夜溫差變化等作用下形成，只不過更加纖細。

不過月塵帶來的更多是麻煩。地球上的灰塵在風(fēng)和水流的長期侵蝕作用下會變得平滑，月球上既沒有風(fēng)也沒有流動水，塵埃顆粒保持著尖銳鋒利的狀態(tài)，所以它會對人體和航天器造成損壞。

在阿波羅任務(wù)中，12名登月航天員因為吸入月塵，都引發(fā)了各種癥狀，包括眼睛和肺部感到刺痛，產(chǎn)生過敏反應(yīng)——流淚、咳嗽，甚至呼吸困難，這被稱為“月球花粉熱”。

由于月球的低重力和紫外線照射引發(fā)的靜電效應(yīng)，月球表面月塵能彌漫數(shù)十米高，阿波羅飛船降落月球時，隨著高度降低，月面能見度越來越糟糕，在著陸前幾秒，幾乎什么都看不見，讓航天員心驚膽戰(zhàn)。揚起的月塵還會附著在航天服和航天器表面，很難清除干凈。粘附的月塵堆積在一起，還會導(dǎo)致各種設(shè)備故障和機械卡死的問題。

雖然帶來的都是麻煩，但是月塵也有一些別出心裁的用處，比如說用來做顏料。阿波羅12號的航天員艾倫·賓在退役后成為一名職業(yè)畫家，他把在太空和月球上的見聞，用藝術(shù)的形式優(yōu)美地展現(xiàn)出來。最傳奇的是，艾倫使用的顏料絕世無雙，里面摻了一些月塵。至于這些月塵是從哪里來的就不得而知了。反正經(jīng)營他畫作的藝術(shù)畫廊一直都這么說，而且這些油畫深受太空迷、收藏家的推崇。

◎ 來源|綜合中國新聞周刊、中國航天報