“月球快遞”已簽收，“土特產”研究拉開序幕

鄭永春

2020年12月19日，國家航天局正式向中國科學院移交了“嫦娥五號”從月球上采集回來的1731克的月壤和巖石樣品，中國科學院國家天文臺已建成月球樣品實驗室，專門用來保存、分配這些月壤和巖石，并組織科學家開展科學研究。

月壤已回，新的探索拉開序幕。

月壤再臨地球

科技的大廈不是一天建成的，而是要長期地積累。上一次的月球采樣，已經是半個世紀以前了。1969年到1972年間，美國“阿波羅”計劃一共采回了381.7千克的月球巖石和土壤。1978年，美國送給中國1克月球樣品。中國科學院組織科學家對0.5克樣品進行研究，發表了14篇論文，剩余的0.5克樣品則被保存在北京天文館進行展出。

月球的土壤結構跟地球的土壤結構有些相似。在月球表面，有一層1-2厘米厚的月塵，然后是3-10米厚的月壤，里面還有大大小小的石塊。月壤層之下，才是真正的基巖。按照此前的經驗，在月球樣品中，顆粒直徑大于1厘米的石塊，會被當成巖石來研究;直徑小于1厘米的，被當成月壤進行研究;顆粒直徑更小的物質，會被當成月塵進行研究。不同的月球樣品.來自月球上的不同地區，蘊含著不同的科學信息。科學家把巖石切成薄片，在顯微鏡下觀察，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，我們可以知道月球樣品的類型、形成年代和形成環境。

可能有人會說，美國已經采了300多千克的月壤，我們的1731克月壤是不是少了一點？但是，對于月球樣品來說，質量不是問題，因為現在的分析技術已經很先進了，儀器的高精尖程度比50年前有了巨大的進步，不用說1731克，即便是1/10的樣品，就已經可以滿足所有的分析需求了。從科學家的角度，我們更希望從月球上的不同地區，采集多樣化的月球土壤，因為不同地區的月壤中含有更豐富的信息。

為何要模擬月壤

現在有很多人都覺得，研究月球是多么高大上、多么光榮的一件事情，但在20年前，也就是我剛剛讀研究生時，我國研究月球的人屈指可數。而且，我們在做研究時，一沒有樣品，二沒有數據，三沒有觀測用的儀器設備。所有的研究工作只能先調研，站在前人的肩膀上。

在經過大量的前期調研之后，我們發現月壤是可以模擬的。

“阿波羅”登月和蘇聯無人采樣采回來的月壤，其數據、成分都已公布。通過調研全國各地區的巖石、礦物和土壤，我們發現在吉林省長白山地區有一種火山渣，成分跟月球上“阿波羅14號”登月點采來的一種月壤成分相近。以這種火山渣作為初始物質，經過加工，然后經過廣泛的測試對比，我們研制成了中國首個模擬月壤國家標準樣品。

模擬月壤不只是看起來像就可以了，還要真的跟月壤顆粒的形狀、大小、成分等物理性質和化學性質相似。當然，這種模擬仍然是有限的，因為它畢竟是在地球上形成的。

真實的月壤是無價之寶，可能只有極少部分的月壤會被拿來進行科學研究。在用真實的月壤進行分析之前，可以用模擬月壤先進行一些測試，

如果模擬月壤測試成功了，才會用真正的月壤。此外，要利用月壤進行原位資源利用的研究，包括3D打印、生產氧氣、提取水等，這些原位資源利用實驗要消耗大量樣品，最好也用模擬月壤來代替，因為真實的月壤是極為珍貴的。

月壤可以激勵青少年

“嫦娥五號”帶回了月壤，除了科學界翹首以盼，公眾特別是青少年學生對月壤也充滿了興趣，他們提出了諸如“月壤能不能種菜、能不能種水稻、能不能種土豆”等問題，我被問到的最有趣的問題是“月壤聞起來是什么味道”。

其實，我也不知道月壤聞起來是什么味道，即便是真正登陸月球的航天員也不一定知道。因為月球上是真空，所以是不可能打開頭盔去聞的，一旦航天服漏氣，航天員就會有性命之憂。帶回地球的月壤也要完全隔絕地球的大氣環境，因為一旦暴露在空氣中，它就不再是原來的月壤了。

我推測，真正聞月壤時，應該是一種比較刺激的感覺。因為月壤中有單質的金屬鐵等還原性物質，在月球的真空環境中，金屬鐵可以穩定存在，一旦接觸呼吸道中的氧氣，它馬上就會被氧化，可能會給我們一種類似吸入胡椒粉的感覺。

我一直認為，月壤不僅有重要的研究價值，還有重要的科普價值和教育意義，它最重要的功能之一應該是激勵青少年從小學科學、愛科學、用科學，吸引更多優秀的學生選擇科研作為職業，成為未來的科學家和工程師。為此，還要圍繞月壤開發課程，提升教育功能。

研究月壤是為了更好地開發月球

同為土壤，月壤跟地球土壤有什么不同呢？

地球上的土壤是在風霜雨雪的作用下，經歷物理風化、化學風化、生物風化等過程才形成的。月球上沒有水、空氣和微生物，因此月壤跟地球土壤是不同的，這也是現在保存月壤的一個首要前提，要隔絕與地球大氣、水的接觸，防止月壤與它們發生化學反應，受到污染。

月壤，實際上是月球表面的巖石經過小行星和微隕石撞擊、宇宙射線照射和劇烈晝夜溫差，經歷了幾十億年的太空風化過程才形成的。由于整個月球表面都覆蓋著一層月壤，用探月衛星得到的探測數據，其實就是月壤發給我們的信息。未來人類要利用月球資源，首要的目標也是月壤。

我們研制的模擬月壤，粉塵非常細，顆粒直徑只有幾十微米，有些甚至是PM2.5，即顆粒直徑為2.5微米，同時棱角很尖銳。因為月壤沒有經歷像地球土壤那樣的磨蝕過程，純粹是小行星撞擊砸出來的。如果月壤進入月球車的輪子內部或者機械設備的連接處，或者覆蓋在太陽能電池板上，就會干擾月球車和月球探測器的正常工作。如果進入航天員的呼吸系統，就會對航天員的身體健康和心理感受造成損害。所以，我們必須深刻地理解月壤和月塵，才能使航天員更安全地在月球上駐留。

中國探月工程“繞、落、回”三步走已經圓滿收官，但“探、登、駐”三大階段已在路上。探月階段完成之后，必然要進行登月和月面駐留的工作，對月壤的研究就是為了將來更好地開發月球。

月壤的小秘密

與地球土壤不同，月壤顆粒的棱角突出，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，比較容易保持原來的形狀。去過沙漠的人都知道，腳印踩完之后，邊緣很快就塌掉了，因為沙子之間的摩擦力很小，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。

月球上只有黑、白、灰3種顏色，沒有彩色，但是月壤中發現了一些綠色的、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，可以了解月球火山形成的過程。

月球上的巖石

月球的巖石類型要比地球上的簡單得多。月球巖石基本上都是巖漿巖，因為月球上沒有河流的搬運作用，所以就沒有沉積巖。月球上也沒有高溫高壓的過程，所以也就沒有變質巖。

月球上的巖石主要分為三大類。第一類是斜長巖，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。第二類是玄武巖，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。在這種巖石里，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，形成一種新的巖石類型。

（責任編輯：白玉磊）