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重返月球  

2009-09-10 23:12:00|  分类: 海外文摘 |  标签: |举报 |字号 订阅

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重返月球

Paul Spudis 文 Shea 编译

(本文已刊载于《太空探索》2009年第8期)

“阿波罗”计划结束以后,月球便渐渐淡出了行星科学家的视线。但最近它又开始卷土重来……

  大约30年前,“阿波罗”计划的结束也宣告了一个大规模探月时代的终结。但是这一探月计划所采集的样本以及所获得的遥感数据却不断帮助我们了解了地球这唯一的天然卫星。20世纪90年代,两个无人月球探测任务——“克莱芒蒂娜”和“月球勘探者”探测器——通过对整个月球表面化学和矿物成分、地形、重力以及其他特性的全球性测量,又极大地加深了我们对月球的认识。尤其是这些探测器发现,在月球的两极具有特殊的环境构造。在两极独特的光照条件和环形山地形的共同作用下,一些地方可能会一直处于阳光的照射下,另一些地方则会沉浸在永远的黑暗之中。结果是,月球的两极地区会出现温差巨大的区域,这会直接影响挥发性元素的积累和保存,例如氢。此外“克莱芒蒂娜”和“月球勘探者”提醒我们,月球本身还有诸多的未解之谜。例如,我们对于月球表面挥发性物质的丰度和月球组成多样性的成因及其历史并不完全了解。

  目前,月球迎来了新一波的国际探测热潮。欧洲空间局的SMART-1、中国的“嫦娥”、日本的“月亮女神”、印度的“月船”1号、美国的“月球勘测轨道飞行器”和“月球环形山观测和传感卫星”都已经、正在或者将要对月球进行探测。这些装备有先进的第二代传感器的探测器将会为我们带来对月球地形、组成以及环境的深入认识。

月球的两极

  月球的两极尤其引人注目。与地球近23.5°的自转轴倾角不同,月球的只有大约1.5°。于是,月球两极的一些地区就可能永远处于阳光的照射之下,而其他一些地方则会处于无尽的黑暗之中。根据日本“月亮女神”对月球两极的观测,月球上的永久光照区并不存在。南、北两极最高的日照率也仅为86%和89%,但是确实存在永久阴影区。在那些永远照不到阳光的地方,温度会保持在50开(-223.15℃),被形象地称为“低温陷阱”。其结果是,由陨星撞击带到月球上的挥发性物质,例如氢,就会在低温陷阱中积累并被永久的保存。这些挥发性物质可以为未来的月球基地以及火箭推进剂提供水源,但是它们的丰度和物态仍然未知。

  到目前为止,月球两极挥发性物质的证据都来自两个无人探测器。“克莱芒蒂娜”发现了来自月球南极的特殊雷达回波,而这一回波和在黑暗区域中存在有少量的冰相一致。另一方面,“月球勘探者”则发现了在月球两极地区氢浓度的升高,其程度与冰或者太阳风中的质子丰度升高相一致。而后者是月球上氢的主要来源,氢可以被保存在小角度光照的低温条件。或者氢也可以来自被保存下来的彗星撞击残骸。然而,“月球勘探者”测量的空间分辨率还不足以能将这一元素富集现象限制在两极的黑暗区域中。于是,围绕月球两极氢的物理特征及其起源乃至这一发现本身引发了一系列的激烈争论。

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[图片说明]:日本“月亮女神”所拍摄的月球上地球升起的场景。版权:JAXA/NHK。

  最新的探测器将会为此提供高质量的数据。“月船”1号将会观测月球两极的黑暗区域,并且仔细地测量它们的雷达回波性质。水冰有独特的回波信号,这样“月船”1号就能测量月球两极的水冰含量和分布。美国的“月球勘测轨道飞行器”将会直接测量低温陷阱的温度,同时它的激光测高仪也会以极高的精度测量两极地区的地形。综合起来,这些数据会区分出低温陷阱,并且确定当地物质的特性。“月球勘测轨道飞行器”上的中子谱仪还会重新测量两极的氢含量,为任何可能存在的水冰提供更可靠的线索。最终,美国和印度可能会联合进行双站雷达实验来对月球两极进行观测,即一个探测器作为雷达发射机、另一个作为接收机,以此可以在特定的区域确认可能存在的冰。

  尽管这些轨道探测器将会收集大量月球两极沉积物和环境的有关数据,但是对极区挥发物的性质和属性的决定性分析还是需要在月球表面对这些物质进行实地测量。而对月球两极环形山进行实地探测是非常具有挑战性的,它需要具有能穿行于相隔较远的沉积物之间的机动能力。同时由于低温陷阱中没有光照,因此探测器要具有强大的能源。为了把探测结果发回地球,就需要一个通讯中继站,因为这些黑暗地带位于地球无线电通讯的盲区。印度正在考虑使用“月船”2号探测器进行此项任务,不过这一切还都处于设计阶段。

灾变和月球早期历史

  对于月球样本和全球遥感数据的研究显示,早期的月球是一个非常复杂而活跃的地方。它的地壳形成于整个外层熔化的“岩浆海”阶段。只有这种大规模的熔化才能解释月球地壳中相当于20千米厚的大量斜长岩矿物。斜长岩在月球地壳中的累积被认为是由于较轻的矿物上浮到岩浆海顶部而成的,而较重的矿物(例如橄榄石和辉石)则会沉到底部。在靠近固化的岩浆海的地方,包含了大量被称为KREEP的物质。KREEP是钾、稀土元素和磷的缩写,它们在月球上的分布似乎并不均匀。虽然先前的探测任务已经对KREEP和月球其他组成的分布有了初步的认识,但是仍然还有许多事情并不清楚。是什么原因和机制使得月球上的KREEP是非均匀分布的,在岩浆海结晶之后它们又是如何演化的,同时它们又是如何参杂到“阿波罗”计划宇航员所采集的撞击角砾岩样本中去的。

  月球上KREEP最富集的地方在月球朝向地球一面西侧的风暴洋,此外在远离地球一侧的月球南极艾肯盆地也发现了显著的类KREEP组成。KREEP的历史是非常复杂的。绝大多数的KREEP是作为由撞击组合到一起的月球物质成分而被发现的,但同时KREEP也会出现在火山熔岩中。KREEP也经常被发现是古老的富镁火成岩石的一种成分。这一结果和KREEP形成于火成系统晚期的结晶假说相矛盾,因为形成于晚期的火成岩石不会富含镁。这一矛盾使得许多人不得不重新审视KREEP的复杂历史。一种解释是KREEP在岩浆海中形成之后被输运到了较浅的地壳中,并最后和富镁的岩浆融合到了一起。为了解决这个问题就需要更详细地测量KREEP并且对特定地区进行采样返回探测。

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[图片说明]:月球南极艾肯盆地。图a:复杂的地质组成。不同颜色代表了不同的年龄,蓝色最老,黄色最年轻。图b:盆地地形。不同颜色代表了不同的高度,红色最高,紫色最低。图中最高和最低处相差了大约12千米。在盆地的外围还有两个复杂的环状结构。图c和图d表示的是艾肯盆地中铁和钍的分布,红色丰度高,紫色丰度低。这些特性都说明,造就这一盆地的撞击可能剥离了这一地区的上层地壳。版权:Clementine/LPI。

  除了这些位于月球风暴洋的KREEP岩石之外,另一个重要的探测地区是位于月球远端的南极艾肯盆地,它是直径超过2,500千米由撞击形成的环形山。“克莱芒蒂娜”和“月球勘探者”的观测都显示艾肯盆地的底部富含铁和镁但缺少铝,同时它还是月球远离地球一侧最大的KREEP富集区。虽然部分参杂了月海中的玄武岩,但是艾肯盆地的岩石仍然值得考察,而且它还被提议为未来机器人采样返回任务的着陆地点。形成艾肯盆地的撞击非常剧烈,几乎“掀开”了这一地区的整个地壳,为我们提供了研究月球底层地壳、甚至是上层地幔的绝佳机会。来自先前探测任务的数据暗示,在艾肯盆地有不寻常的富铁和镁的岩石存在。但是这些岩石是由于撞击的高温熔化了地壳而形成的,还是由于撞击而暴露出来的下部地壳物质,目前还有争论。不管是如何形成的,艾肯盆地底部的物质都将会是将来载人和机器人探测的重要研究和采样对象。

  由“阿波罗”计划带回地球的撞击熔化岩石样本似乎都是形成于38亿年前的。对这一有趣的结果有一种猜测,在那个时期月球经历了陡然增加的大量陨星撞击,这一时期也被称为月球的灾变期。这一灾变时期是否真的存在目前还不清楚。例如,如果仅仅对一到两个月球上最年轻的撞击盆地进行了采样,就会产生绝大部分撞击都发生在同一时间的结果。了解内太阳系中的陨星撞击率是否真的上升过是非常重要的,因为这一时间恰逢地球上生命的出现。未来月球探测的一大要务就是对不同的撞击盆地进行采样,尤其是月球远端的撞击盆地,只有这样才能排除采样中可能存在的选择效应。

月球资源和重返月球

  有一些人觉得,谈论月球物质的经济价值是荒谬的。其实不然。对于未来的月球基地来说,就地取材远比使用来自地球引力势阱深处的物资来得便宜。水是一种非常高效、易于使用和储存的氢、氧载体,因此它可以用来生产火箭的推进剂、维持人类的日常需要并且为地球和月球之间的运输系统提供燃料。月球还包含了其他有用的材料,理论上说都可以用来更好地为空间飞行服务。

  无论是建造永久基地还是无人月面探测任务,重返月球都需要有新的国家和新的人员的参与。除了中国、印度和日本这些已经把探测器送往月球的国家之外,未来几年还会有私人或者商业性质的月球计划。谷歌的月球X大奖将会奖励第一个在月球上着陆、发回月面照片并且在月面行进500米的私人探测器2千万美元。许多公司正在跃跃欲试,其中一些正在积极地征集探测器的科学载荷。这为月球的科学探测打开了一条全新的途径。这些私人探测会围绕着月球资源的勘探和开发做文章。当这个领域不断扩大的时候,我们又会迎来新一轮的科学进展。

  在科学的边缘徘徊了近30年之后,月球又重新回到了科学的时尚前沿。新的探测任务将会收集有关月球两极、陨星撞击历史以及其他自“阿波罗”时代就萦绕在人们脑海中未解之谜的新信息,并以此为人类重返月球最好准备。

[Nature Geoscience 2009年04月]



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