首都科学讲堂 | 我们为何要研究月壤？（下）
本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。
2020年12月17日凌晨1时59分，嫦娥五号返回器成功着陆在内蒙古四子王旗预定区域，标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成，探月工程圆满收官。本次任务共采集1731克月球样品，被移交给中国科学院国家天文台进行深入研究。科学家为何要登月“挖土”？月壤到底是怎么取样的，又将如何展开研究？
本期首都科学讲堂之“极简科学课”，中国科学院国家天文台研究员郑永春将带着我们一起，了解月壤的神奇之处与未来应用前景。
主讲嘉宾：
郑永春
中国科学院国家天文台研究员，行星科学专家、科普作家
（供图 郑永春 摄影/张星海）
月壤的研究为何重要？
我们来看月球的土壤结构：表面有一层1-2厘米厚的月尘；然后是3-10米厚的月壤，月壤有的地方厚一点，有的地方薄一点，月壤里面其实还含有或埋有一些石块，这些石块有些大，有些小；月壤层之下才是真正的基岩，这就是整个月壤的结构，跟地球上的土壤结构非常相似。
月壤和月尘的研究为什么重要？我们知道，太阳会“刮”出太阳风，在太空里穿行，因为月球没有磁场，所以太阳风直接注入了月球的土壤和尘埃里。每一颗月壤颗粒、尘埃颗粒，都长时间饱受太阳风的侵袭。太阳耀斑产生的各种各样的高能粒子，也会注入月尘和月壤的颗粒里面去。还有来自于遥远的银河宇宙线，是非常高能的一些粒子，能够注入更深的深度，在月壤颗粒里留下深深的痕迹。
此外，月球还要遭受各种各样的陨石、微陨石的撞击，撞击过程会产生高温高压和熔融，一部分物质会气化，逃离月球。
所以每一颗月壤颗粒都是月球遭受各种境遇的记录，它受撞击的历史，被熔融的历史，遭受太阳风注入的历史，遭受银河宇宙线作用的历史，这些历史都会被记录在月壤颗粒里面，研究它当然会获得很多宝贵的信息。
月尘的影响和威胁
最初，人类并不知道月球上有月尘，美国宇航员最早在月球上空飞过的时候，在地平线上看到了一团亮光，他们推测，那个地方可能有一些尘埃在散射太阳光，就跟我们在地平线上看到的一团亮光，实际上是地表的尘埃在散射太阳光，这就是月尘。宇航员手绘了他们看到的样子，把这种现象称为喷泉，就像喷泉的样子。
有了月球样品之后，在显微镜下观察发现，月尘非常细，粒度只有20微米以下，甚至还要小得多。对在月球表面工作的宇航员有很大的威胁。阿波罗登月的时候就碰到一些问题，比如，拍到的照片非常模糊，宇航员不得不拿手去擦镜头，把灰尘擦掉。
宇航员登陆月球之后，回到登月舱的时候，宇航服上、靴子上都会沾染上月尘，月尘带有静电、具有黏附性，沾在身上之后很难掉下来。有些月尘会进入呼吸道，就跟我们吸入PM2.5一样，我们说的PM2.5，其实是2.5微米的颗粒直径，月尘的颗粒里有很多PM2.5，但它跟地球上的PM2.5不一样，因为它有毒性，能侵入人体，进入呼吸道，在肺部会沉积，严重威胁人体健康，所以必须认真对待。就像阿波罗17的宇航员说的那样，（他们）能够克服月球上的所有问题，除了月尘。
被月尘黏附的阿波罗宇航服。登月之后带回地球的宇航服和靴子，上面都沾染了月尘。
我曾经和医学专家合作，拿小鼠来做实验，把模拟月尘注入到小鼠的肺内之后发现，小鼠的呼吸系统出现问题。所以，月尘会对人的生理和心理都产生危害。
月尘颗粒虽然非常细，但是它非常尖锐，就像极细的玻璃渣。月尘颗粒进入宇航服的关节部位，导致面料磨损，宇航服漏气。一旦漏气就会缩短宇航员的月面停留时间，威胁他们的生存。
镜头上的月尘使照片模糊。
月尘遮挡相机镜头，导致拍摄的照片模糊不清。
月尘也会积累在科学仪器的表面，因为月尘吸收热量的能力，跟仪器吸收热量的能力是不一样的，所以会对航天器的散热过程、热量管理、温度控制产生重要的影响。月尘覆盖在仪器仪表上面，使读数困难。月尘甚至会影响宇航员在月面的安全行走。曾经有一条电缆被月尘覆盖后难以看到，宇航员行走时没有注意到脚下的电缆被绊倒了。要知道宇航员穿着上百斤重的宇航服，一旦摔跤是非常危险的，所以必须慎重对待月尘。
为何要研究模拟月壤？
阿波罗计划的教训，是因为人类对月球表面的了解非常有限，对月壤的特性、月尘的影响缺少了解，航天器发射之前在地面上缺少分析测试和深入研究，使真正执行登月任务时面临意外情况。如何避免意外的发生，就需要研制模拟月壤和模拟月尘，加深对月面环境的理解。
模拟月壤国家标准样品。
研制模拟月壤，需要在地球上寻找跟月壤和月尘成分相近的物质，这些物质是地球上的天然岩石和矿物。经过加工之后，模拟月壤与真实的月壤具有相似的颗粒形状和大小，具有相似的物理性质，可以用它来替代真实的月壤进行科学研究。
比方说，月球车在模拟实验场进行测试的时候，就要用模拟月壤来铺设一个实验场；着陆器登陆月球的实验，就要用模拟月壤来进行实验；利用月壤生产氧气的实验，是要消耗月壤的，但是真正的月壤非常珍贵，不可能用来实验，就需要用模拟月壤来代替。模拟月壤的目的，是通过实验了解月球探测面临的问题，以及未来在月球上生存需要解决的资源利用问题。
月球将成为一个永不坠落的天然空间站
中国探月工程已经圆满收官，下一步努力的目标就是登月和月球驻留。所以，“绕、落、回”三步走已经实现，“探、登、驻”三个阶段的登月和驻月正在路上。
接下来，还会在月球上建立无人科考站，开始载人登月；然后是建立有人值守的月球基地，再从月球出发，去往更遥远的火星。只有当人类在地球和月球之间能够来去自如的时候，从地球出发移民火星的时间也就不远了。
月球是离地球最近的自然天体，也是地球唯一的天然卫星，中国人对月亮充满了感情，在中国人的叙事中，月亮是一个温暖的故乡，我们有很多关于月亮的神话故事、诗词歌赋，比如，嫦娥奔月、吴刚伐桂、玉兔捣药、蟾宫览胜……未来二三十年内，中国人将从地球出发，在月球上建立永久的基地，这个基地可能是小规模的。然后，月球基地会作为人类走向深空的中转站和跳板，月球将会成为一个永不坠落的天然空间站。
从月球上可以观测星空，成为一个天文研究基地；可以从月球上监测地球，成为一个对地监测站；还可以了解月球跟地球之间的差异，以更好地理解我们的家园——地球。