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月球,你好!……这是来自地球上一个古老又年轻的民族的问候……自从嫦娥三号在月球上成功着6,月球车玉兔沿续吸引着众人关注的目光。这倒一点儿都不出人意料,毕竟除了特别擅长卖萌以外,月球车玉兔还是近4o年来,在月球这片天外大地上踏足的唯一巡视探测器。
事实上,嫦娥三号于2o13年12月14日在月球雨海东北部成功实施的软着6,是上世纪六七十年代阿波罗成功登月之后的4o余年里,人类探测器实现的唯一一次月球软着6。这也使得我国成为继美国和前苏联之后,世界上第3个独立实施月球软着6的国家。
嫦娥三号完成了我国探月工程“绕”、“落”、“回”三个阶段的第二步,但这些阶段毕竟只是工程目标——它是过程,而不是最终目的。嫦娥工程的最终目的,是要服务于国家的战略需求,对月球进行实地科学勘测。
来看看,月球车玉兔在月面上都干了哪些正经事,又交出了怎样一份成绩单了。
要了解月球行走器“玉兔”的科学任务,先得从一个最基本的问题说起,那就是——“玉兔”号为什么要去探测月球雨海的东北部?
“嫦娥”三号的着6位置受到很多客观因素的制约,并不是想去哪里就可以去哪里的。
先,由于月球总是以一面对着地球,所以为了保证与月球车的实时通讯,着6点最起码不能位于月球背面;其次,为了避免重复性工作,嫦娥三号要尽可能远离先前阿波罗计划已经去探测过的着6点;此外,还要选择地形比较平坦的区域,以保证软着6的安全和月球车的行驶。
在考虑完所有的客观制约因素后,接下来,玉兔号才能够主观选择“自己想做点啥”。探月工程师费了多少心血才让玉兔获得在月球上“到此一游”的资格,自然得朝着科学意义最大的地方去了。
月球的关键科学问题包括如下几个:1、月球的成因(大撞击假说);2、岩浆洋的演化和月壳的形成;3、月海盆地的形成和玄武岩的喷历史。
自阿波罗计划以来,月面勘测的空档已经延续了4o多年,能不能在月球研究中再迈出个“一大步”,这事儿,就扛在了小小玉兔的肩膀上。
对于这些科学问题,雨海盆地都是很好的研究对象。证实或真伪大撞击假说有一个方法,即通过化学成分研究,寻找地球和月球的亲缘性或者差异性。雨海作为月球最大的盆地,在估算全月球成分时会占据较大的权重。
另外,风暴洋-雨海地区富含克里普组分(kReep),而科学家认为克里普组分代表了月球岩浆洋结晶最后的残留岩浆,是我们理解月球岩浆洋演化的关键。
还有,雨海填充有大量的玄武岩,可以帮助我们揭示月球的火山活动历史。
“嫦娥”三号着6点位于月球雨海盆地北部的玄武质熔岩流之上。
雨海盆地很大,可供选择的着6点很多,为什么偏偏选择这里?留意颜色,我们可以明显看到,玄武岩分为黑色和亮灰色两大类。(注意:玄武岩是整体较暗的部分,不是明亮的月6)玄武岩的不同色调,很可能代表着截然不同的岩浆事件,以及更深层次的月球演化行为。
尽管工程控制不可避免的会存在误差,但幸运的是,嫦娥三号最终着6在两类玄武岩交界线南侧仅1o千米的地方。
如果“玉兔”号能够穿越两类玄武岩的交界线,那么通过这一次巡视,就可以探测两类玄武岩的组成和厚度,进而根据这些基础的岩石学信息,反演出月球历史的大事件。
“玉兔”号的装备。为了探测月球的物质成分和地下结构,“玉兔”号携带了3样科学设备,分别是粒子激x射线谱仪、可视-红外成像光谱仪、探月雷达。
粒子激x射线谱仪搭载在月球车玉兔的机械臂上,用于探测月壤和月岩的化学成分分析。它利用自身携带的放射源产生a粒子和x射线,轰击样本的表面以产生x射线荧光。根据x射线荧光的能量和强度,可以计算样本表面的化学成分。
可视-红外成像光谱仪则安装在玉兔号的前端,能够获取样本表面的可视-近红外光谱,从而计算其主要矿物组成。
值得一提的是探月雷达,这是人类探月以来次在月球表面直接进行雷达探测任务。
探月雷达在月球表面激电磁脉冲,这些电磁波传入月表以下,遇到电磁属性不同的地层,便会在界面上反射。利用天线接收反射回来的电磁波,便能够反推月壤和浅表月岩的分层结构。
月球行走器“玉兔”上的探月雷达,低频通道的探测深度可达4oo米,而且由于直接在月球表面上探测,它的分辨率要比其他方法更高。
“玉兔”号在两个月昼内对月壤进行了两次粒子激x射线谱仪分析,四次可视-近红外成像光谱仪分析,还利用雷达探测了一条近百米长的剖面。
“玉兔”号月球行走器在月面上的行驶轨迹,黑色线条显示了月球车玉兔的行驶轨迹。
“嫦娥”三号的着6位置,a和b是着6区两个较大的撞击坑,Ls1和Ls2是2次粒子激x射线谱分析的位置,cd5-cd8是4次可视-近红外成像光谱分析的位置。
通过月球行走器“玉兔”的实地探测结果,在月球的火山活动历史和月壤的厚度两个方面,我们都得到了新的认识。
先,玉兔号现了一种新类型的玄武岩,并且这一玄武岩单元规模巨大。
粒子激x射线谱仪获得了月壤12种元素的准确含量。与阿波罗月海盆地的月壤相比,我们现嫦娥三号着6处的月壤铁和钛含量较高,而铝含量较低,在成分上表现出了截然不同之处,说明其下的玄武岩是一种新的类型。此外,这里的月壤中富含钾、锆、钇、铌,表明这种玄武岩混入了1o-2o%的克里普组分。
根据“玉兔”号的探测结果,该玄武岩可能由富含铁和钛的月幔源区部分熔融形成,然后在上侵过程中受到月壳底部的克里普岩层混杂,最后溢出月表,充填到了雨海盆地。重要的是,雷达探测到这一年轻的玄武岩层的厚度达到195米,这说明直至距今25亿年前,雨海盆地仍有大规模的火山喷。
其次,“玉兔”号次利用雷达在月表实测了月壤厚度。
借用地震勘探领域的瞬时频谱分析和偏移成像等信号处理技术,我们获得了着6区的月壤结构和厚度。探月雷达剖面显示,月壤具有分层结构,其顶部分层厚约o.7米,质地均匀,几乎不含石块,而底界有一定的起伏,平均厚度约5米。由于月壤是小行星撞击月表岩石形成,地质年龄越大,月壤厚度也越大。嫦娥三号着6区的年龄明显小于其他月海区域,但实测的月壤厚度明显大于其他间接方法估算的2-4米,说明整个月球的月壤厚度都可能被低估了。由于氦3和氢等重要资源主要赋存于月壤,这一现将对这些重要资源储量的估算产生较大影响。
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