嫦娥五号携月壤回家，月亮的土壤里有哪些秘密？

出品：科普中国

制作：林杨挺（中国科学院地质与地球物理研究所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

2020年12月17日1时59分，嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功。

△内蒙古四子王旗着陆区现场的嫦娥五号返回器（国家航天局）

可能会有人问，我们为什么要费这么大力气采集月壤，研究月壤呢？在嫦娥五号之前，中国还没有去月球采过样，是不是一直没研究过月壤？

其实不然，我们已经对月壤开展了不少研究。今天就让我们一起回顾。

月壤与地球土壤有何不同？

△图1. 嫦娥四号着陆月面（动图，素材来源见水印）

在记录嫦娥四号着陆过程的视频中，我们可以清楚看到着陆瞬间着陆器正下方被吹跑的尘土（图1）；玉兔二号月球车缓缓从着陆器驶下，开始了在月球背面的巡视探测，在月球背面刻下了第一道醒目的车辙（图2）。

△图2. 玉兔二号倩影和月表上的车辙（图片来源：中国国家航天局）

这条车辙已长达600多米，还在随着玉兔的脚步不断向前延伸。从视频和照片中我们可以看出，月球的表面不是坚硬的岩石，而是覆盖了一层松散的土壤，科学家称之为“月壤”。

网上有个很有趣的问题，“当年各国收到美国赠送的月壤后，是如何确认月壤真的来自月球的？”

△图3.问题描述（图片来源：知乎）

从嫦娥四号的着陆视频中，大家很难看出月壤与地球土壤的不同，但其实只要对月壤样品进行研究，就会发现它们差别很大。

人类目前拥有的月壤，均来自9次任务。阿波罗登月计划的6次任务，一共从月球正面的6个不同地点采集并带回了382公斤的月球样品，其中约1/3是月壤；苏联的3次月球号任务，也采回了300克左右的月壤样品。（当然，嫦娥五号任务顺利开展后，这些数据都将增长。）

通过对这些样品的研究，科学家们发现，除了粒度都很细小之外，月球与地球上的土壤有很大的差异。

地球上的土壤大家都很熟悉，是一层疏松的物质，是由岩石风化形成的细粒矿物质，添加了有机质和水，含有微生物等。地球上土壤的形成，除了化学、物理作用之外，生物的活动是其最重要的特征。此外，我国西北地区广泛分布的黄土，是一种比较特殊的土壤，主要由风力搬运、沉积形成。黄土逐年堆积，因此还记录了长达200多万年的气候变化历史。

月球没有大气、没有水、更没有生物。那么月壤又是怎样形成的？

由于没有大气，月壤被直接暴露在太阳辐射和微陨石的轰击之下，组成和物理性质发生改变，科学家们将这个过程称为“太空风化”，从而与地球上在大气、水和生物共同作用下的“地表风化”相区别。

月壤的形成过程没有生物活动参与，没有有机质，还极度缺水干燥；组成月壤的矿物粉末基本是由陨石撞击破碎形成，因此，粉末颗粒的锐角十分锋利。

不仅如此，月球没有磁场保护，太阳风（主要由氢离子等组成）会注入到粉尘颗粒表面，将矿物中的二价铁离子还原成纳米金属铁微粒，从而改变其电磁特征、光谱特征（颜色）等。

另外，月球表面经常被陨石以每秒10多公里的速度撞击，巨大的能量会使月表一部分物质熔融，形成玻璃，还有一部分物质气化，再重新凝结，成为月壤组成的一部分。

所以，想用地球土壤“冒充”月壤，几乎是不可能的。

有读者可能会产生疑问，月壤只不过是月球表面的尘土，为什么还要研究它呢？其实，研究月壤不仅对探月非常重要，还能帮助我们了解太阳系、了解地球。

要想探月，必须研究月壤

可以这么说，月壤对于探月工程的实施非常重要。

前面我们提到，月球表面几乎完全被月壤所覆盖。这就意味着，环绕月球轨道上的所有探测器直接探测的对象并非岩石，而是月壤。但是，由于太空风化作用，月壤的物质组成和光谱性质发生了不同程度的改变。很显然，如果不了解这种影响，得到的结果很可能存在偏差。

月壤的特点导致它对探月仪器和宇航员都形成了不小的威胁。开展无人着陆和巡视探测时，从月壤表面扬起的月尘，会覆盖在各种载荷的传感器表面，以及充填在仪器和机械的运动机构缝隙，直接对工程的实施构成安全威胁。

△图4. 宇航服上粘满月尘的阿波罗宇航员（NASA）

月表重力仅是地球重力的1/6，而且月壤颗粒的电磁性发生了改变，因此月壤的粘附力很强，宇航员出舱进行科学考察时，全身极易粘满月壤颗粒（图4）。这些月壤颗粒虽然极微细，却像刀尖一样锐利，很可能给宇航员的安全带来重大威胁。

因此，对月壤的认识和研究是月球探测，以及未来建立月球基地、利用月球等不可或缺的基础。

月壤还是未来月球资源的首选利用对象

除了对探月工程意义重大，月壤本身就是一种宝贵的资源。

我国已经成功实施了月球探测“绕、落、回”三步曲的前两步，今年即将完成第三步。下一阶段月球探测的新趋势，就是从相对单纯的“科学探测”向“科学与应用并重”转变，月球资源利用已成为预先研究的重要内容。

需要在月球上开采、带回地球的资源很少，最重要的是氦-3。氦-3是未来核聚变的可选燃料之一，但地球上的氦气主要是放射性元素铀、钍衰变产生的氦-4。氦-3主要存在于太阳，通过太阳风注入到月壤中（地球的磁场保护了地球，但同时也挡掉了氦-3）。因此，未来有可能从月壤中提取氦-3，带回地球供核聚变使用。

我国一直在论证嫦娥四期任务，计划在月球上建一个“基本款”科研站。月球是一个巨大无比的天然空间站，是人类深空探测的前哨站。月球资源将更多被应用于未来月球基地本身的构建和运行。例如，未来可以采用3D打印技术，利用月壤修建月球基地；从月壤中提取太阳风注入的氢，通过与钛铁矿反应生成水和金属铁；从月球南北二极永久阴影区提取凝结在月壤中的水冰等。这些重要的资源都富集在月壤中。另外，一些重要的矿物资源（如钛铁矿），从月壤中分选提取是最为经济可行的方案，能够避免开采和破碎坚硬岩石的巨大消耗。

△图5. 科幻电影中的月球基地（图片来源：《2001太空漫游》）

月壤是本书，藏着太阳、地球和月球的秘密

研究月壤的意义不止于此。

月壤中藏着太阳的秘密。由于月壤一直受到太阳的辐射，太阳的物质以太阳风的形式被注入到月壤颗粒得到保存。因此，从月壤颗粒可以提取、并分析太阳的样品。完整的月壤剖面，记录了长达30多亿年的太阳辐射历史和注入的太阳物质。

月壤中还藏着地球的秘密。月球自形成以来，一直在不断远离地球。在地质历史早期，月球远比今天更靠近地球。除了太阳风之外，月球还一直被地球风吹拂着，特别是在更早的30多亿年前。因此，月球正面的月壤还注入了来自古老地球的大气物质。科学家提出，通过比较月球正面和背面的月壤，可以识别出来自地球大气的成分，研究30多亿年前地球大气的组成和地球磁场(Ozima, et al, 2005; Wei, et al, 2020)。

最后，月壤中当然还藏着月球本身的秘密。月球表面不断受到陨石的撞击，溅射起来的物质一层一层堆积在月球表面。因此，月壤剖面记录了30多亿年以来的陨石撞击历史，而且，这段记录同样也适用于地球。与地球相比，月球是一台完美的记录仪，保存了地球-月球区域最完整的陨石撞击历史。相反，地球上的绝大部分陨石坑都被地质作用擦除了，在地球表面发现的陨石坑仅有170多个。

嫦娥五号将带我们寻觅更多月壤奥秘

返回月壤样品的量并不多，如果没有样品，我们还能研究月壤吗？

当然可以。

以我国的探月任务为例，嫦娥四号就带来了关于月壤的新发现。

△图6. 通过嫦娥四号的相关数据，我们发现月壤的形成是一个反复破碎、压实成岩、再破碎的过程(Lin, et al, 2020b)

月球车玉兔二号携带了3台重要的仪器——全景相机、探月雷达、成像光谱仪，开展了多方面科学探测，得到了大量数据。科学家根据这些数据，获得了对月球内部物质组成、早期撞击历史、岩浆喷发历史、以及月壤形成机制和太空风化特性等新的认识。

虽然嫦娥四号在月球上开展的探测卓有成效，不过，我们一直期待着能拿到更多月壤样品，在地球实验室中开展精细的研究。

随着嫦娥五号探测器的成功发射，中国科学家们的这个梦想距离实现又近了一步。

嫦娥五号是我国月球探测第一阶段“绕、落、回”的最后一步，预计将从月球表面采集2公斤左右的样品返回。这也是继阿波罗计划和月球号计划之后，人类再次采集月球样品。而且，嫦娥五号的着陆区不同于以往的9个地点，返回不同的月球样品，特别是最年轻的月球火山岩，将讲述一个月球晚年的故事。任务计划在着陆地点钻取一根2米长左右的月壤岩芯，从而带回该地区10多亿年以来所发生的各种事件记录。此外，还将从表面铲取一些月壤样品，其中很可能包含了来自相当大一片区域的岩石碎片。利用现代的微区微束分析技术，科学家将解开月球10多亿年以来的火山活动和陨石撞击历史，理解这一区域火山活动持续如此之久的秘密。

航天人与科学家的脚步从未停歇，用智慧与勇气将探索之心印刻在月壤之上，相信月壤也将向我们展示更多的秘密。