月球“土”特产里面有什么宝

2020年12月17日凌晨，历经10多天的太空工作，嫦娥五号携带来自风暴洋吕姆克山的2千克月壤返回地面。这是1976年苏联月球24号带回100多克月球样本以来，人类再一次得到来自月球的“土”。

嫦娥五号采回的相对年轻的地体样本，有望帮助科学家推进对月球演化历史的认识，揭开月球的身世之谜。

有关月亮形成的传说

月球，是距离人类生存的地球最近的一颗星。月球如何形成，和地球又有什么关系——人们对月球的身世一直充满强烈的好奇心。

20世纪以来，科学家先后提出4种不同的月球起源假说：月球和地球在同一个系统里吸积气体和尘埃而成“双星吸积说”、由地球早期自转过快而甩出去的“分裂说”、是地球引力捕获卫星的“捕获说”以及由其他行星撞击地球形成的“大撞击说”。

其中，“大撞击说”被越来越多的科学家所接受。大约在45.6亿年前太阳系诞生之初，八大行星基本成形。但太阳系的宇宙空间中，仍然“飘浮”着大大小小的星体。“大撞击”假说认为，约在45亿年前，一颗火星大小的天体撞上了原始地球。巨大的能量使整个撞击体和地球的外圈层物质被熔融、气化和混合，其中一部分逐渐聚集形成了月球。

为了证明“大撞击说”，科学家采用了各种各样的办法。例如，上世纪六七十年代，美国阿波罗计划陆续从月球带回了总重达382千克的岩石，为人类了解月球提供了的样本。

而探测数据显示，月球物质中挥发性组分大量丢失、金属核很小但与地球具有相似的氧化还原程度等等，都可以成为支持这一假说的证据。

同时，过去很长一段时间里，月球陨石也成为人类了解月球的一扇窗口。地球化学研究者通过对月球陨石阿波罗月岩样品的研究发现，地球和月球上氧的同位素的组成相同。这意味着，月球与地球存在相同的“基因”。

不过，阿波罗计划在月球上取样范围毕竟有限，而月球陨石来源的不确定性和遥感探测获得信息的局限性总是像“隔靴搔痒”。科学家期待，要是从月球上更多的地方挖回来“真土”，就能够提供更多有关“大撞击说”的证据。

在美苏探月之后，时隔半个世纪，嫦娥五号承担起这一重任。12月1日晚间，嫦娥五号探测器稳稳降落在月球正面风暴洋北部吕姆克山、夏普月溪附近。这是中国探测器第三次在月球表面成功软着陆，也是人类探测器首次踏足月球上的这一区域。

“岩浆洋”：一块重要的拼图

自12月1日23时着陆后，嫦娥五号在月面工作近19个小时后完成月球钻取采样及封装。

根据前期遥感影像资料，嫦娥五号着陆区是大约13亿～20亿年前形成的玄武岩，不同于以往9个地点，也是最年輕的月球火山岩。和月球45亿年的年龄相比，这里是非常“年轻”的地区。此前，嫦娥四号在月球背面更加古老的南极-艾特肯盆地着陆，那里被认为大约在42亿～43亿年前形成。

回到“大撞击说”上，“岩浆洋假说”可以被视为大撞击的结果之一，也是证实“大撞击说”的重要拼图。1969年发射的阿波罗11号带回对月球化学成分研究至关重要的样品——包含钙、铝及二氧化硅成分的“斜长岩”。

据国际学术期刊《科学》在1970年1月刊登的一篇文章，美国史密森尼天文台的研究人员在1676块月球岩石碎片中发现了61块斜长岩，特别是在月球上表面明亮的高地势地区。这些新发现给了他们极大的启示——斜长岩的密度较小，在岩浆中能够漂浮在顶部。

据此，他们提出一种新的月球演化模型，即岩浆洋假说。这一假说指的是，大撞击后形成的月球被一层全球性的岩浆覆盖，形成了约400公里甚至更深的岩浆洋。

这是一幅无比壮观又难以想象的画面：在距离我们最近的一颗星球上，曾经覆盖着漫无边际、炽热的岩石熔融体。好比一锅热汤，刚开始冷却的时候，更重的物质橄榄石和辉石首先结晶析出，堆积在最底部，然后轻一些的斜长石结晶漂浮到月球表面聚集形成斜长岩高地。

2019年5月，就在嫦娥四号抵达月球半年后，中科院国家天文台研究员李春来带领的团队在《自然》上发表相关结果。嫦娥四号在就位光谱探测中发现了来自月球深部的橄榄石和低钙辉石。这不仅直接揭示了月幔物质的组成，也成为支持“岩浆洋假说”的有力证据。

另一项有力证据来自嫦娥三号探测到的信号。当岩浆洋“热汤”不断冷却固化，残留岩浆中的不相容元素含量逐渐升高，最终留下富集钾、稀土元素、磷的特殊月岩——克里普岩。

2015年，根据“玉兔号”发回的微量元素信息，中科院地质与地球物理研究所研究员林杨挺团队推断，“嫦娥三号”着陆区的玄武岩含有10%～20%“克里普岩”物质。

月壤宝藏——氦-3

月壤覆盖在整个月球表面，是由岩石碎屑、矿物颗粒、玻璃、陨石碎片、粘合集块岩等组成的松散堆积物。

与地球土壤的形成过程不同，月壤是在陨石和微陨石的频繁撞击、撞击溅射物堆积、宇宙射线和太阳风的轰击，以及剧烈的温差促使月表岩石热胀冷缩破碎等机械作用下最终形成的。月壤的堆积速度极其缓慢，大约1亿年可以堆积到1.5～3米厚，比地球土壤形成要困难得多。

月壤成分非常复杂，最令人瞩目之处在于它蕴含着丰富的氦-3。氦-3有许多有趣的特点：液氦可以产生奇特的膜移动现象，在约零下271摄氏度的低温下会出现“超流”，能沿容器壁向上流动，比热容、表面张力、压缩性都是反常的。

氦-3为地球能源问题提供了一种解决方案。它是优良的核反应原料，1公斤氦-3和0.67公斤氘发生核反应，将产生相当于一个100万瓦发电厂19年发电量的能量，核发电效率非常高。而且氦-3在聚变过程中不产生中子，放射性小，反应过程易于控制，既环保又安全。

氦-3最初是在太阳上由热核反应形成，然后借太阳风撒向四面八方，只有很少的量能到达地球和别的行星。因为大气层和磁场的阻碍，它们很难落在地球表面。月球几乎没有大气层和磁场，所以太阳风携带的微粒便能顺顺当当地落在月球上，“陷进”月面浮土里。

月壤中海量的氦-3储量可以满足人类上千年的能源需求。这让寻找新能源的科学家们看到了希望。

月岩石、玄武岩，工业用途广

月球表面的各种岩石本身非常有纪念意义，因为它们有最古老的历史。目前地球上能找到最古老的岩石年龄约为38亿年，更久远的就找不到了。

根据同位素的分析结果显示，月壳高地岩石的形成年齡为42亿～43亿年，是目前为止发现的“最老”的岩石。它不仅揭示了月球岩石类型、月球的总体成分特征及其化学演化历史等，同时还蕴含着太阳系行星、卫星早期演化历史的重要科学信息。

氦-3 为地球能源问题提供了一种解决方案。它是优良的核反应原料，1公斤氦-3 和0.67公斤氘发生核反应，将产生相当于一个100 万瓦发电厂19年发电量的能量，核发电效率非常高。

除了古老，月壳高地主要岩石类型有富含硅、铝、钙、钠的斜长岩，富含镁的结晶岩套和富含钾、稀土元素、磷的克里普岩，它们都各有特色且具有很大的开发价值。

克里普岩在月球上分布广泛，它是岩浆分异或残余熔浆结晶形成的富含挥发元素的岩石，也被称为“月球上的花岗岩”。克里普岩的主要矿物成分有长石、辉石、二氧化硅矿物和不透明矿物，不含或含极其微量的橄榄石，克里普岩中的钾元素、磷元素、稀土元素、钍元素及铀元素的含量颇丰。

上述这些都在地球上有非常广泛的用途，稀土元素应用于国防工业、冶金、机械、石油、化工、玻璃、陶瓷、纺织、皮革、农牧养殖等领域。钍可以制作合金、催化剂、高温陶瓷材料、光电管、电子管、特殊焊条以及吸气剂等，还是制造高级透镜的常用原料;钍也是潜在的核燃料，经过中子轰击它可以转化为铀233，有重要的能源用途。

降落相机拍摄的着陆区域影像图。图片国家航天局网站

如果去月海游览，这里的“特产”就要数玄武岩了。 从地球看月亮，会发现月亮表面有明有暗，早期的观察者以为这些地方被海水覆盖，称它们为月海。实际上，月球本身并不发光，而是反射太阳光，月海也没有水，之所以暗淡是因为里面遍布玄武岩，反射率比较低，所以看起来月海部分都是暗灰色的。

玄武岩是地下岩浆从火山中喷出或从地表裂隙中溢出后，经冷却凝结而形成的火成岩。玄武岩岩浆的黏度小，易于流动，形成很大的覆盖层，常形成广大的熔岩台地，分布很广。

月球上的玄武岩有很大开发价值。从美国6次阿波罗计划和苏联3次月球号探测器带回的月球样品分析结果表明，玄武岩中钛铁矿含量较高。钛铁矿是提炼钛和二氧化钛的主要矿物，纯钛和钛合金是新型的结构材料，在航天工业和航海工业中应用巨大;二氧化钛俗称“钛白”，是一种优良的白色涂料，在光触媒、化妆品等工业领域也应用广泛。这些资源不仅对人类在地球上的生产生活非常重要，而且在未来的月球基地建设中也有重要的作用。玄武岩中钛铁矿可以提供铁、钛和氧，与氢反应产生的水将是月球基地获取水资源的重要途径之一。

别致的颜料——月尘

当我们离开月面返回航天器，抖抖身上的衣服，会得到另外一种月球的“馈赠”——月尘。月尘与月壤、月球岩石的成分一致，主要来源于月球表面的风化碎屑物，在陨石轰击、太阳风和宇宙射线以及巨大的昼夜温差变化等作用下形成，只不过更加纤细。

不过月尘带来的更多是麻烦。地球上的灰尘在风和水流的长期侵蚀作用下会变得平滑，月球上既没有风也没有流动水，尘埃颗粒保持着尖锐锋利的状态，所以它会对人体和航天器造成损坏。

在阿波罗任务中，12名登月航天员因为吸入月尘，都引发了各种症状，包括眼睛和肺部感到刺痛，产生过敏反应——流泪、咳嗽，甚至呼吸困难，这被称为“月球花粉热”。

由于月球的低重力和紫外线照射引发的静电效应，月球表面月尘能弥漫数十米高，阿波罗飞船降落月球时，随着高度降低，月面能见度越来越糟糕，在着陆前几秒，几乎什么都看不见，让航天员心惊胆战。扬起的月尘还会附着在航天服和航天器表面，很难清除干净。粘附的月尘堆积在一起，还会导致各种设备故障和机械卡死的问题。

虽然带来的都是麻烦，但是月尘也有一些别出心裁的用处，比如说用来做颜料。阿波罗12号的航天员艾伦·宾在退役后成为一名职业画家，他把在太空和月球上的见闻，用艺术的形式优美地展现出来。最传奇的是，艾伦使用的颜料绝世无双，里面掺了一些月尘。至于这些月尘是从哪里来的就不得而知了。反正经营他画作的艺术画廊一直都这么说，而且这些油画深受太空迷、收藏家的推崇。

◎ 来源|综合中国新闻周刊、中国航天报