封面圖源|愛給網

封面設計|李馨宇

1969年7月

美國宇航員阿姆斯特朗

在月球表面留下了人類的第一個腳印

圖源|網絡

1970年9月

前蘇聯發射的無人探測器 月球-16號

首次自動取樣 將月壤送回地球

圖源|網絡

又50年過后

中國的嫦娥5號

再次 從月球表面 帶回了1731克月樣

▲嫦娥五號上升器帶著樣品離開著陸器示意圖

而就在2024年6月2日

嫦娥6號成功在月球背面南極-艾特肯盆地降落

完成了人類首次月球背面的土壤采樣

并且于2024年6月25號

成功返回地球

這次 它又將會帶給人類怎樣的驚喜？

▲圖源央視新聞

人類對于月球的探索

從未停止

1978年

為了推動中美盡快建交

時任美國總統國家安全事務助理到訪中國

并且向中國贈送了 1g月球樣品

這塊要用放大鏡才能看清的石頭

竟然還要被分成 兩半

一半收藏在北京天文館

另外一半則供中國科學家研究

▲保存在北京天文館供公眾參觀的0.5g月巖

但就是根據 對這塊0.5克石頭的研究

中國科學家們一共發表了14篇研究文章……

為人類帶來了重要的科研成果

▲查爾斯·康拉德和比恩在月球收集了重達35公斤的月球巖石

而在美國六次登月后的幾十年間

航空航天局NASA收到了來自全世界3000多份

研究月球土壤樣品的申請

但采集的300多千克月壤對于全球的需求而言

簡直是杯水車薪聊勝于無般的存在

人類為什么要這么大費周章地跑到月球上去取樣？

今天 我們就來聊一聊這個話題

1

為什么我們要到月球采樣?

尋找完美能源

在對月壤的研究過程中

科學家們發現月壤中含有大量的氦-3

它是世界公認的 最高效、清潔、安全的

核聚變發電燃料之一

被科學家稱作是 “完美能源”

據計算，100噸氦-3所能創造的能源

相當于全世界一年消耗能源的總量

然而氦-3主要存在于太陽之中

我們自然不可能直接到太陽上去獲取

只能通過收集太陽風輻射而來得氦-3

由于地球的磁場保護了地球 同時也擋掉了氦-3

所以氦-3在地球上的蘊藏量極少

經探測結果表明

月球淺層的氦-3含量多達 110 萬噸！

至少可以解決整個地球一萬年的能源需求

尋找天然石墨烯

除了超級能源 氦-3

研究人員在對 嫦娥五號的月壤研究中

首次發現了天然形成的少層石墨烯

石墨烯，被譽為是“新材料之王”

由于優異的 光學、電學、力學特性，

它在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面

具有重要的應用前景

被認為是一種未來革命性的材料

▲月球石墨烯的形成 圖源/網絡

研究團隊指出

少層石墨烯和石墨碳的形成

可能源于太陽風和月球早期的火山噴發共同誘導的礦物催化進程

這為我們理解月壤礦物形成提供了新的視角

尋找太陽和地球的古老秘密

月球沒有大氣層和磁場 直面太陽輻射

才能蘊含大量的太陽物質

所以在完整的月壤剖面中

記錄了長達30多億年的太陽輻射歷史

因此研究月壤，對于研究太陽的歷史有著巨大的意義

▲美國阿波羅登月計劃

除了太陽風之外

月球還一直被地球風吹拂著

特別是在更早的30多億年前

在那時月球遠比今天更加靠近地球

因此在月球正面的月壤

還注入過來自古老地球的大氣物質

▲20世紀50～70年代，前蘇聯先后發射了24顆月球探測器，其月球探測方面曾一度遙遙領先于美國。1970年，“月球16”號探測器將0.1千克月球巖石樣品送回地球，使人類首次獲得月球表面物質的標本。

月球表面的土壤

就像是一本厚厚的自然歷史書

記錄下了太陽系曾經發生過的一切

尋找隕石撞擊歷史

除此之外

月壤剖面還記錄了30多億年以來的隕石撞擊歷史

地球上的隕石坑因為地質運動而被掩蓋

想要了解那段歷史

通過月球將會是是最好的方式

▲2004年，中國正式開展月球探測工程，并命名為“嫦娥工程”。

嫦娥工程分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。

2

人類從月球帶回了什么？

在月球表面的巖石中 主要分布的是

月海玄武巖

（巖漿在地表冷卻后凝固而成的一種致密狀或泡沫狀結構的巖石）

而人類從月球采回的樣品按結構和成因又可分為

結晶質火成巖、角礫巖、月壤或月塵

結晶質火成巖是月球表面或其附近

由巖漿直接結晶和固化形成

角礫巖是指其變化范圍從細粒的微角礫巖到

含有大的火成巖碎塊的碎屑巖

而月壤或月塵

是隕石體多次撞擊的產物

形成月球土壤的大塊基巖在小天體的撞擊之下

不斷被 打碎、混合、翻動

最終在月球表面形成細膩的沙土層

其厚度可達幾米之高

▲月球淺表的垂直分布，最上層細膩的表層就是月壤（風化層）

地球上土壤的形成

除了化學、物理作用之外，還有大量的生物參與

而在月球表面

沒有大氣、沒有水、更沒有生物

月壤直接長時間暴露在太陽輻射和隕石轟擊之下

科學家們將這個過程稱為“太空風化”

2013年12月14日，中國的嫦娥三號著陸器在月球表面著陸。

圖為玉兔號在月壤上留下清晰的印跡。

供圖/中國科學院▲

不僅如此

月球因為沒有磁場保護

太陽風會注入到粉塵顆粒的表面

從而改變了它們的電磁特征和光譜特征

另外

由于月球表面經常被隕石撞擊

所以巨大的能量會使月表一部分物質熔融形成玻璃

還有一部分物質會氣化，再重新凝結

成為月壤組成的一部分

所以想用地球土壤“冒充”月壤 幾乎是不可能的事

長期的撞擊累積形成的月壤▲

3

“月質”到底研究什么?

我們將地球的性質和特征稱為地質

將研究地球的性質與特征學科 稱為“地質學”

那么，月球的性質和特征是否該稱為“月質”呢？

如果是這樣

研究地球性質和特征的學科

是否也應當稱為月質學呢？

沒想到我國第一個踏上月球 開展月質工作的

居然是 嫦娥五號

它算不算是我國第一代月質工作者呢?

至少也是我國的第一代采樣工

假如真的有一個叫"月質"的行業

有一群往返于地-月之間

開展月質研究的“月質人” 那他們會研究什么呢?

▲12月2日22時，經過約19小時月面工作

嫦娥五號完成月球表面自動采樣

研究月球起源

首先

他們當然想要弄清楚月球是怎么形成的

月球可能形成于大約45億年前

有關它的起源有幾種說法

從地球甩出去的、被地球俘獲的小行星

或被是地球被行星撞擊

或者有人說地球和月球原本是兩個親兄弟

▲撞擊形成

到底真相如何？

或許我們都可以通過未來的

月質工作 來獲取答案

研究月球的結構

月球內部構造和地球一樣

月球也有殼、幔、核等分層結構

月殼平均厚度約為60-64.7公里

月殼下面到1000公里深度是月幔

它占了月球的大部分體積

▲月球內部構造示意圖

月幔下面是月核 月核的溫度約為1000~1500℃

所以很可能是熔融狀態的

據推測其大概是由Fe-Ni-S和榴輝巖物質構成

月球表面有陰暗的部分和明亮的區域

亮區是高地，稱為“月陸”

暗區是平原或盆地等低陷地帶，稱為“月海”

月陸是月球上最古老的地理單元

占據了月球表面的絕大部分

形成年齡比地球最古老的巖石和月海玄武巖都還要老

▲Eleanor Lutz繪制的月球地質圖

月球山脈主要分布在月球的正面以及背面月海的邊緣

最大的山脈叫“亞平寧山”

長越6400千米 最高峰高達9840米

6000米以上的山峰有6個

如果你降落在月陸區域

那將看到的將是峰巒起伏 山脈橫貫

▲NASA公布首張月球表面3D地形圖

在月球表面 直徑大于1公里的撞擊坑約33000個

占月表面積的 7%-10%

最大的撞擊坑是南極附近的貝利環形山

直徑295千米，比海南島還大一點

小的環形山甚至可能只有幾十厘米

月海

是月球表面的主要地理單元

占全月面積的25% 迄今已知的月海有22個

絕大多數分布在面向地球月球的正面

▲月海主要分布于月球正面(制圖/中科院空天信息研究院行星遙感團隊,引自 <中國國家地理> )

最大的月海是風暴洋 面積約為500萬平方千米

月海雖叫做“海”，實際上它滴水不含

它的表層覆蓋類似火山噴發形成的玄武巖

即月海玄武巖

許多科學家認為月海是小天體撞擊月球時

玄武巖巖漿覆蓋了低地所形成

除了“海”以外

還有被稱為湖的“月湖”

被稱為灣的“月灣”

被稱為沼的“月沼”

▲月海分布圖

月面上還有一種以環形山為輻射點

向四面八方延伸的亮帶

它幾乎以筆直的方向穿過山系、月海和環形山

叫做“輻射紋”

▲月球表面的輻射紋

在滿月時可以清晰看見 尤為壯觀

形成輻射紋的原因至今未有定論

許多人傾向于隕星撞擊說

認為在沒有大氣和引力很小的月球上

隕星撞擊可能使高溫碎塊飛得很遠

而另外一些科學家認為不能排除火山的作用

火山爆發時的噴射也可能會形成這樣的條紋

究竟是為何呢？還需要繼續進行探究

研究月球的演化

月球大約在46億年前形成

月球形成不久 便分異形成月殼、月幔和月核

形成月殼之后

月表頻繁遭受到的隕石體強烈撞擊

大約在38～43億年以前

由于小行星或星子的撞擊形成月海盆地

之后在31～39億年以前

月海玄武巖的噴發并充填月海盆地

約在30億年以前

全月球性的火山作用基本停止

我們可以把月球的歷史粗略分成6個時期

前酒海紀——月球形成到39.2億年前

酒海紀——39.2億年前到38.4億年前

下雨海世——38.4億年前到38億年前

上雨海世——38億年前到32億年前

愛拉托遜紀——32億年前到11億年前

哥白尼紀——11億年前至今

由于無法精確放射性定年

所以我們無法準確確定 各個時期的起始時間

只能通過幾個撞擊盆地的形成年代

來劃分這6個地質時期的相對先后

▲月球統一地質圖，是美國地質勘探局天體地質科學中心、美國宇航局與月球行星研究所合作最新公布的使用月球高程數據LOLA（ Lunar Orbiter Laser Altimeter）繪制的月球地質圖，Credit: 圖/NASA/GSFC/USGS

生物學 或許在月球并無用武之地

雖然月巖中發現有多種有機化合物

但是至今還沒有發現生命物質的跡象

因為月表溫度劇烈變化

太陽輻射強烈

宇宙射線的摧殘

隕石對月表的撞擊

干涸無水的月表和近乎真空的環境

都證明了月球上不可能有植物和動物

甚至連細菌也難以生存！

▲到了月球才知道，生機盎然的藍色地球多么令人向往

嫦娥六號將使用鉆取和表取兩種采樣方式

獲得不同層面和深度的樣品

與人類在地球上開展的地質工作相似

在未來 完全有可能將地質工作者送上月球

開展“月質”的研究

甚至將月球礦產開采后運回地球

進行更深層次的利用

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撰文|李忠東 李馨宇

審稿|李忠東

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