<em id="f99rb"><form id="f99rb"><th id="f99rb"></th></form></em>

        <form id="f99rb"></form>

            <em id="f99rb"><span id="f99rb"><track id="f99rb"></track></span></em>

            首都科學講堂第677期《我們為何要研究月壤?》

            信息來源:北京科學中心      發布時間:2021-01-10

              2021年1月9日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了中國科學院天文臺研究員鄭永春,為大家帶來題為《我們為何要研究月壤?》的精彩講座。

              

              我們為何要研究月壤?

              2020年12月17日凌晨1時59分,嫦娥五號返回器成功著陸在內蒙古四子王旗預定區域,標志著我國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成,探月工程圓滿收官。本次任務共采集1731克月球樣品,被移交給中國科學院國家天文臺進行深入研究。科學家為何要登月“挖土”?月壤到底是怎么取樣的,又將如何展開研究?

              第一講 科學家為何更喜歡研究月球巖石?

              1969年至1972年這短短的三年間,美國共有12名宇航員登陸月球,采集了381.7公斤的月球巖石和土壤回到地球,這就是著名的阿波羅計劃。

              1976年美國總統特使訪華的時候,送了1克阿波羅計劃采集的月球樣品給中國科學院,中國科學院把它交給中國科學院地球化學研究所,組織全國的科學家對其中的0.5克月巖進行研究,并發表了14篇論文。另外的0.5克月巖則被保存在北京天文館進行展出。

              阿波羅登月從月球上采集的巖石,每一塊都有獨特的編號。通過編號,可以追溯它是哪次任務、什么時候采集的,知道它的重量、大小、成分、礦物組成等,對采樣地點的地質背景等相關信息都有完整的描述。

              不同的月球巖石,來自于月球上的不同地區,蘊含著不同的月球信息。科學家會把它們切成薄片,在顯微鏡下觀察,并進行微量元素和主量元素的分析,進行礦物組成的分析,進行同位素的定年,等等。通過這些細致而全面的研究工作,我們可以知道這塊巖石的類型,它的形成年代,代表了當時什么樣的形成環境。所以,從地質學家的角度來看,更喜歡月球的巖石,而不是月球的土壤。因為月球上同一個地方的土壤成分相對均一,所以只要有一個樣品就夠了,但每一塊巖石都有獨特的信息。

              月球樣品中顆粒直徑大于1厘米的石塊,都會被當做巖石來研究。直徑小于1厘米被當做月壤進行研究。月壤中顆粒直徑更細的物質,還會被當做月塵進行研究。

              月球的巖石類型,要比地球上簡單得多。月球上巖石基本上都是巖漿巖,因為它沒有河流的搬運作用,所以也就沒有沉積巖。它也沒有高溫高壓的過程,所以也沒有變質巖。月球上的巖石主要分為三大類,首先是斜長巖,主要分布在月陸地區,斜長巖的主要成分是鋁和鈣的硅酸鹽,鋁和鈣組成了淺色的礦物,所以月陸的表面反射太陽光的能力較強,看起來比較明亮。月球上顏色比較深的地方叫月海,月海中分布的主要是玄武巖,這種巖石里面鐵鎂質的礦物含量比較高,所以看起來顏色偏黑。第三類巖石叫角礫巖,這種巖石里既有斜長巖的碎片,又有玄武巖的碎片,是因為微隕石的撞擊產生的高溫,把周圍的巖石碎片熔融、黏結在一起,形成的一種新的巖石類型。

              第二講 月壤中藏著很多秘密

              整個月球表面都覆蓋著一層厚厚的月壤,不同的地方厚度也不同。月陸地區形成的歷史更古老,月壤厚達8-10米;月海地區形成的年代相對較新,月壤厚度約為3-5米。

              人類將來要利用的月球資源,其實都蘊含在月壤里。月壤就像地球上的一些粉塵,去過沙漠你就知道,腳印踩上去之后,邊緣很快就塌掉了,因為砂礫之間的摩擦力很小,很難保持穩定的形狀。但如果把沙子里摻上水,腳印就特別清晰,這是因為沙子之間的黏結力增強了,能夠保持一定的形狀。

              在月球上踩下的腳印,就像在潮濕的沙灘上踩下的腳印。月球土壤是小天體和隕石撞擊月球表面的巖石粉碎形成的,跟地球土壤由巖石風化、風沙和泥沙搬運,使得土壤顆粒相互摩擦變圓的方式不同,月壤顆粒棱角突出,呈多邊形,顆粒之間的摩擦力很大。所以,月球表面的月壤一旦壓實成型,比較容易保持原來的形狀,這是月球土壤和地球土壤的差別。

              月球上只有黑白灰三種顏色,沒有彩色,但是月壤中卻發現了一些綠色的、橘黃色的玻璃珠,可能是火山噴發形成的火山玻璃。通過對這些顆粒的研究,可以了解火山形成的過程,還能知道如何開發和利用這些月壤。

              在美國休斯敦航天中心,我曾經親眼看到月壤樣品,觸摸過月球巖石。在北京的一次國際學術交流會上,我有幸親手觸摸到了來自月球的土壤。當時,我手上拿著阿波羅登月采集的一罐月壤,它被密封在一個小罐子里面,我手上拿一根磁鐵。當磁鐵移動的時候,有一團月壤跟著磁鐵一起移動。這就說明,月壤種含有單質的納米鐵,產生了很強的磁性,這是月壤的第二個重要性質。

              納米鐵是怎么形成的?這非常有意思。月球上是真空,小行星、微隕石撞擊月球表面之后,月壤中含有的氧化亞鐵,跟來自太陽風的氣體進行氧化還原反應,被還原成納米級的單質鐵。與地球上不同,這些單質鐵在月壤中可以穩定存在。如果將來有能力在月球上選礦的話,用磁力分選的方式,就可以把這些納米鐵收集起來,加工成一些金屬材料,而不必從地球上帶過去。

              第三講 月壤的研究為何重要?

              我們來看月球的土壤結構:表面有一層1-2厘米厚的月塵;然后是3-10米厚的月壤,月壤有的地方厚一點,有的地方薄一點,月壤里面其實還含有或埋有一些石塊,這些石塊有些大,有些小;月壤層之下才是真正的基巖,這就是整個月壤的結構,跟地球上的土壤結構非常相似。

              月壤和月塵的研究為什么重要?我們知道,太陽會“刮”出太陽風,在太空里穿行,因為月球沒有磁場,所以太陽風直接注入了月球的土壤和塵埃里。每一顆月壤顆粒、塵埃顆粒,都長時間飽受太陽風的侵襲。太陽耀斑產生的各種各樣的高能粒子,也會注入月塵和月壤的顆粒里面去。還有來自于遙遠的銀河宇宙線,是非常高能的一些粒子,能夠注入更深的深度,在月壤顆粒里留下深深的痕跡。

              此外,月球還要遭受各種各樣的隕石、微隕石的撞擊,撞擊過程會產生高溫高壓和熔融,一部分物質會氣化,逃離月球。

              所以每一顆月壤顆粒都是月球遭受各種境遇的記錄,它受撞擊的歷史,被熔融的歷史,遭受太陽風注入的歷史,遭受銀河宇宙線作用的歷史,這些歷史都會被記錄在月壤顆粒里面,研究它當然會獲得很多寶貴的信息。

              第四講 月塵的影響和威脅

              最初,人類并不知道月球上有月塵,美國宇航員最早在月球上空飛過的時候,在地平線上看到了一團亮光,他們推測,那個地方可能有一些塵埃在散射太陽光,就跟我們在地平線上看到的一團亮光,實際上是地表的塵埃在散射太陽光,這就是月塵。宇航員手繪了他們看到的樣子,把這種現象稱為噴泉,就像噴泉的樣子。

              有了月球樣品之后,在顯微鏡下觀察發現,月塵非常細,粒度只有20微米以下,甚至還要小得多。對在月球表面工作的宇航員有很大的威脅。阿波羅登月的時候就碰到一些問題,比如,拍到的照片非常模糊,宇航員不得不拿手去擦鏡頭,把灰塵擦掉。

              宇航員登陸月球之后,回到登月艙的時候,宇航服上、靴子上都會沾染上月塵,月塵帶有靜電、具有黏附性,沾在身上之后很難掉下來。有些月塵會進入呼吸道,就跟我們吸入PM2.5一樣,我們說的PM2.5,其實是2.5微米的顆粒直徑,月塵的顆粒里有很多PM2.5,但它跟地球上的PM2.5不一樣,因為它有毒性,能侵入人體,進入呼吸道,在肺部會沉積,嚴重威脅人體健康,所以必須認真對待。就像阿波羅17的宇航員說的那樣,(他們)能夠克服月球上的所有問題,除了月塵。

              我曾經和醫學專家合作,拿小鼠來做實驗,把模擬月塵注入到小鼠的肺內之后發現,小鼠的呼吸系統出現問題。所以,月塵會對人的生理和心理都產生危害。

              月塵顆粒雖然非常細,但是它非常尖銳,就像極細的玻璃渣。月塵顆粒進入宇航服的關節部位,導致面料磨損,宇航服漏氣。一旦漏氣就會縮短宇航員的月面停留時間,威脅他們的生存。

              月塵也會積累在科學儀器的表面,因為月塵吸收熱量的能力,跟儀器吸收熱量的能力是不一樣的,所以會對航天器的散熱過程、熱量管理、溫度控制產生重要的影響。月塵覆蓋在儀器儀表上面,使讀數困難。月塵甚至會影響宇航員在月面的安全行走。曾經有一條電纜被月塵覆蓋后難以看到,宇航員行走時沒有注意到腳下的電纜被絆倒了。要知道宇航員穿著上百斤重的宇航服,一旦摔跤是非常危險的,所以必須慎重對待月塵。

              第五講 為何要研究模擬月壤?

              阿波羅計劃的教訓,是因為人類對月球表面的了解非常有限,對月壤的特性、月塵的影響缺少了解,航天器發射之前在地面上缺少分析測試和深入研究,使真正執行登月任務時面臨意外情況。如何避免意外的發生,就需要研制模擬月壤和模擬月塵,加深對月面環境的理解。

              研制模擬月壤,需要在地球上尋找跟月壤和月塵成分相近的物質,這些物質是地球上的天然巖石和礦物。經過加工之后,模擬月壤與真實的月壤具有相似的顆粒形狀和大小,具有相似的物理性質,可以用它來替代真實的月壤進行科學研究。

              比方說,月球車在模擬實驗場進行測試的時候,就要用模擬月壤來鋪設一個實驗場;著陸器登陸月球的實驗,就要用模擬月壤來進行實驗;利用月壤生產氧氣的實驗,是要消耗月壤的,但是真正的月壤非常珍貴,不可能用來實驗,就需要用模擬月壤來代替。模擬月壤的目的,是通過實驗了解月球探測面臨的問題,以及未來在月球上生存需要解決的資源利用問題。

              第六講 月球將成為一個永不墜落的天然空間站

              中國探月工程已經圓滿收官,下一步努力的目標就是登月和月球駐留。所以,“繞、落、回”三步走已經實現,“探、登、駐”三個階段的登月和駐月正在路上。

              接下來,還會在月球上建立無人科考站,開始載人登月;然后是建立有人值守的月球基地,再從月球出發,去往更遙遠的火星。只有當人類在地球和月球之間能夠來去自如的時候,從地球出發移民火星的時間也就不遠了。

              月球是離地球最近的自然天體,也是地球唯一的天然衛星,中國人對月亮充滿了感情,在中國人的敘事中,月亮是一個溫暖的故鄉,我們有很多關于月亮的神話故事、詩詞歌賦,比如,嫦娥奔月、吳剛伐桂、玉兔搗藥、蟾宮覽勝……未來二三十年內,中國人將從地球出發,在月球上建立永久的基地,這個基地可能是小規模的。然后,月球基地會作為人類走向深空的中轉站和跳板,月球將會成為一個永不墜落的天然空間站。

              從月球上可以觀測星空,成為一個天文研究基地;可以從月球上監測地球,成為一個對地監測站;還可以了解月球跟地球之間的差異,以更好地理解我們的家園——地球。

            午夜夫妻一级生活片 - 在线 - 视频观看 - 影视资讯 - 随缘网 Produced By 大漢網絡 大漢版通發布系統