歐陽自遠：月球探測的進展與我國的月球探測

央視國際 2004年11月22日 16:56

　　中國月球探測首席科學家：歐陽自遠

　　人類的航天活動大致分為三個方面。

　　（一） 衛星的應用

　　現在人類共發射了五千多個航天器，如氣象衛星、通訊衛星、資源衛星等等，中國大概佔有1%的份額。現在所發射的衛星中70％是軍事衛星，另外，在資源勘察、氣象和災害預報、全球通訊廣播電視、導航定位等領域已得到廣泛應用。所以航天科技的發展已經滲透到經濟和社會生活的各個方面，大大提高了我們的生活質量，並有力地推動了相關産業的快速發展。

　　（二） 載人航天

　　現在共有950多人次已經進入過太空，2003年楊利偉成為中國第一位進入太空的宇航員，這是我國航天事業取得的重大勝利。美國、俄羅斯、日本等16個國家將聯合起來，到2010年建成國際空間站，在其中進行生命科學、空間科學、航天醫學、微重力加工、商業産品開發等一系列的基礎科學和應用開發研究。

　　（三） 深空探測

　　指的是脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間的探測。深空探測的目標是以太陽系空間為主，為人類社會的可持續發展服務。 深空探測是在衛星應用和載人航天取得重大成就的基礎上，向更廣闊的太陽系空間進行的探索，是人類社會的物質和精神文明發展的需要，是科學技術進步的必然趨勢。目前的深空探測主要集中在四個重點領域。

　　一是月球探測。這是深空探測的門檻，因為月球是離我們最近的天體，月球可以作為對地監測基地、科學研究基地、新的軍事平臺以及深空探測的前哨站和轉運站。現在正在評估月球的資源和能源的開發利用前景，也許地球將來要靠月球的支撐，才能長期、穩定、健康地發展下去。

　　二是火星探測。火星是一個類似地球的行星，可以和地球進行對比研究。當前，火星探測的主要目的不是尋找火星上是否存在生命，因為已經知道火星表面現在是沒有水體和生命的活動，因此其最高目標在於探測過去是否存在水體和生命活動的信息，探索生命起源、行星形成和太陽系起源與演化。當然現在找到了很多水體存在的間接證據，但是仍然不知道什麼時候有過水，更不知道是否有過生命。所以火星探測還有很漫長的道路。

　　三是巨行星的衛星探測。這些巨行星的衛星一般相當於地球大小，現在所選擇的幾個探測對象也是探測水體和是否可能發育過生命；探索生命起源和太陽系的起源與演化。

　　四是小行星與彗星的探測。小行星與彗星是組成太陽系的原始物質，對它們的探測在於探索太陽系的起源與演化，研究防止小天體撞擊地球的方案以及它們可能的開發利用前景。

　　因此，21世紀將是人類全面探測太陽系的新世紀，併為人類社會可持續發展服務的新時代。

　　一、月球探測的歷程與探測成果

　　自古以來，人們就對月球寄予了真情期望的遐想和充滿詩意的讚美。當一輪皎潔如玉的明月挂在夜空，人們只能靠肉眼觀測月球並寄託自己的想像。直到16世紀望遠鏡發明以後，人類才能夠用望遠鏡觀察月球，但觀測的空間分辨率大於10km，人們發現月球上有高山和廣闊的平原並佈滿了環形山。

　　真正對月球的了解是在20世紀50年代以後，月球探測進入空間探測階段。月球是離地球最近的天體，亮度也僅次於太陽，歷來是人類天文活動的首選目標，自然也是人類走出地球搖籃，邁向浩瀚宇宙的第一步。1959～1972年，美國和前蘇聯成功地發射了45個對月球的各種探測器。前蘇聯的“月球號”拍攝了月球背面的照片，把月球的整個面貌展現在人們面前。1969年，阿波羅11號實現了人類的夢想，人類的足跡第一次踏上了月球，人們才了解到月球的真實面貌。

　　（一） 第一次探月高潮（1959 ~ 1976年）

　　1. 第一次探月高潮概況

　　在冷戰背景下，美國和前蘇聯展開了以月球探測為中心的空間競賽，掀起了第一次月球探測高潮。自1958 ~ 1976年，美國和前蘇聯共發射83個月球探測器，成功45個，成功率為55.5%。1969年7月美國阿波羅11號飛船實現了人類首次登月，相繼阿波羅12、14、15、16、17和前蘇聯的月球號16、20和24進行了載人和不載人登月取樣，共獲得了382kg的月球樣品和難以計數的科學數據。月球探測取得了劃時代的成就。

　　月球探測是人類進行太陽系探測的歷史性開端，大大促進了人類對月球、地球和太陽系的認識，帶動了一系列基礎科學的創新，促進了一系列應用科學的新發展。月球探測，尤其是載人登月是人類邁出地球搖籃的第一步，是整個人類歷史進程的里程碑。人類在宇宙空間展示的智慧創舉、超強能力和攀登精神，是人類開拓進取、求實創新的光輝範例，增強了人類探索宇宙、建設好地球家園的信心。月球探測成為人類歷史和科學技術發展史上劃時代的標誌性事件。

　　第一次月球探測高潮的最主要推動力是冷戰和空間霸權爭奪的政治需求。美國與前蘇聯正是通過月球探測，建立和完善了龐大的航天工業和技術體系；有力地帶動和促進了一系列科學技術的快速發展；月球探測技術在軍事和民用領域得到延伸、推廣和二次開發，形成了一大批高科技工業群體，包括微電子，計算機，遙感、遙測與遙控，微波雷達，紅外與激光，超低溫、超高溫和超高真空技術以及冶金，化工，機械，電子視聽聲像和信息傳遞等，産生了顯著的社會經濟效益。據不完全統計，從阿波羅計劃派生出了大約3000多種應用技術“成果”。在登月後的短短幾年內，這些應用技術就取得了巨大的效益——在登月計劃中每投入1美元就可獲得4～5美元的産出。

　　2. 第一次探月高潮取得的成果

　　人類通過對月球的探測，獲得了極其豐富的數據，對月球的形狀、大小、軌道參數、近月空間環境、月表結構與特徵、月球的岩石類型與化學組成、月球的資源與能源、月球的內部結構與演化歷史等的研究取得了一系列突破性進展，對月球的起源和地月系統的相互作用與影響獲得了新的認識，主要表現在以下幾個方面：

　　（1）精確測定了月球的形狀、大小和運行軌道。月球是一個南北極稍扁、赤道處略有膨脹的圓球體，極半徑比赤道半徑短約500m。月球的平均直徑為3476km，相當於地球直徑的27%；質量為7.351022 kg，約為地球的1/81；體積只有地球的1/49。月球的表面積約為3800萬km2，只有地球表面積的1/14，大約相當於中國陸地面積的4倍；月球的平均密度為3.34g/cm3，比地球的平均密度（5.52g/cm3）小得多；月球表面的引力也只有地球表面的1/6。月球圍繞著地球以橢圓形軌道運動，其遠地點為406700km，近地點為356400km，與地球的平均距離為384403km，大約相當於地球赤道長度的10倍。

　　（2）月球表面基本上沒有大氣，表面氣壓僅為10-14大氣壓量級。由於沒有大氣的熱傳導，月表平均溫度為107（白晝）～-153℃（夜晚），向陽面與背陽面的溫度為120～-150℃，夜晚和太陽不能照射到的陰影區的溫度僅為-160～－180℃，最低與最高溫度-180 ～130 ℃，所以溫差可以達到300℃以上。

　　火星有非常稀薄的大氣，火星表面平均溫度為-33℃，日溫差＞100℃，夏季溫度達到17～22℃,冬季為-123～-133℃。火星表面溫度及氣壓快速波動，在幾分鐘內地表溫度變化可達20℃，氣壓變化也同樣明顯。所以火星也是一個比較嚴酷的、不利於生存的環境。

　　總之，月球表面是超高真空，而火星表面有非常稀薄的大氣，相當於地球表面40km高度的大氣密度。所以説天體表面的氣體密度決定於它的質量，行星的質量愈小，對氣體的吸引力愈小，行星大氣層愈稀薄。

　　（3）儘管月球現在沒有明顯的磁場存在，但月球的岩石有極微弱的剩磁，磁化強度約（2～4）10-6電磁單位/g，這表明月球可能曾經有過較弱的磁場。磁場的産生是由於在天體內部有帶電流體的流動，而月球裏面根本沒有帶電流體的流動，所以就沒有磁場産生。因此可以推斷月球在31億年前磁場就消失了，那時月球內部就固化了，也就是説月球現在其實是繞著地球旋轉的一塊大石頭，早就終結了月球本身的生命。

　　火星的磁場不像地球有非常漂亮的南北極，是一大堆小磁場，即多極子弱磁場，火星接近於老年了，能量接近衰竭。所以行星有起源、演化和衰亡的過程。行星質量愈小，內部愈早固化，愈早終結演化，行星磁場的演化趨勢為：偶極子磁場—多極子弱磁場—無磁場。行星的衰亡是指內部的衰竭，而不是指表面，比如地球表面的生機勃勃是由太陽控制的。地球終究有一日會走到生命的終結，更為寧靜地死去，沒有地震，沒有火山，本體衰竭，地球會更安靜，但是表面也許會更繁榮。

　　（4）月球表面的主要地形單元為月海盆地、月陸和撞擊坑。月海是指地形相對低窪的大型盆地，月球正面的月海約佔正面面積的一半，背面月海分佈極少。據統計，月面上直徑大於1000m的環形構造總數在33000個以上，總面積約佔月球表面積的7%~10%。月面上直徑大於1m的月坑總數可達3萬億個。這些月坑實際上是小天體撞擊出來的坑。月球擋住了很多小天體砸向地球，自己被砸得千瘡百孔，為保衛地球起了很重要的作用。撞擊作用導致大量岩石碎塊濺射並堆積在盆地周圍，形成圍繞月海盆地的山系。月陸也稱高地，是月面最古老的地形單元，高地物質大部分是富含斜長石的深成岩。

　　（5）月球表面由岩石碎屑和塵埃組成的風化層（月壤）所覆蓋，它是在月球地質歷史時期由無數隕石撞擊所形成。由於月壤長期接受太陽-宇宙線的輻射，因而儲存了獨特的太陽輻射歷史，完整地記錄了40億年太陽活動的歷史，這對了解地球上氣候的變化是非常重要的。

　　月壤一般厚5～10m，明顯地富集由太陽輻射注入的揮發性化學元素和同位素，如H、He、N、C等，初步估算全月球月壤中3He的資源量可達100萬～500萬t。3He是人類未來可長期使用、清潔、安全而廉價的可控核聚變燃料，其他副産品如氫、氮、二氧化碳等也將是月球基地生命保障體系的重要資源。

　　（6）月球表面沒有水體，月球的地質演化歷史中也沒有或只有極微量的水參與。月球的永久陰影區可能存在水冰。

　　月球南北兩極的月壤中確實存在水冰。它們是彗星撞擊後殘留下來的，並在月坑的永久陰影區中得以長期保存。月球表面總共大約有66億t水冰，但我們認為毫無價值，並沒有給人們帶來任何樂觀的前景，並不是説以後登月可以不帶水了，因為水冰收集和加工的代價太大。

　　現在大家最關心的是火星上有沒有水。現在能找到很多證據，證明火星上曾經存在過水體，但是現在水到哪兒去了？什麼時候有水的活動？這些都不知道，因為要把火星上的石頭帶到地球上才能測出什麼時候有過水的活動，然後再來推測那個時候火星上有沒有生命。木衛二、木衛三、土衛六可能有地下海。因此要找到生命存在的痕跡大概只有火星和這幾個小衛星，太陽系的其他地方不可能有生命存在。

　　（7）月球上沒有生命，沒有活動的有機體、化石或有機體固有的有機化合物。 大量的測試表明所有月球樣品中沒有生命存在的證據，它不含有活動的有機體，或它本身固有的有機化合物。有一塊石頭引起了全世界的爭論，這塊石頭是1984年在南極找到的，是從火星上掉下來的一塊石頭，石頭裏有一些奇怪的小蟲子形狀的“化石”，美國宣佈是細菌化石，因此説火星上曾經發育過細菌，曾經存在過生命。這是36億年前的石頭，也就是説假如36億年前火星上有生命，它的生命的水平是細菌。那時地球的生命水平也是細菌，也可以説那時地球上的細菌一直髮展到現在生機勃勃的生物圈和人類。火星上為什麼生命得不到繁衍？火星上生命起源的環境與過程是怎樣的？是火星的生命帶給了地球還是地球的生命帶給了火星？或者地球和火星各自産生過生命？這些問題仍是未解之謎。

　　（8） 月球和地球在成因上是相互聯絡的，它們都是由相同的物質“原料”（元素）以不同的比例“混合”形成的。雖然組成月球和地球的化學元素相同，但月球更富含難熔元素，強烈地虧損鐵和揮發性元素。所有的月球岩石都是通過高溫的內生過程（岩漿或火山作用）形成的。月岩可粗略地分為三類：玄武岩、斜長岩和角礫岩。

　　在月岩中已發現100多種礦物，其中絕大多數礦物的成分和結構與地球的礦物相同，只有靜海石等5種礦物在地球上未發現過。月球礦物普遍不含水，礦物中的變價元素多為低價元素，如Fe多為0價或2價鐵，表明月球礦物是在缺水和還原的條件下形成的。

　　（9） 月球有一個厚的月殼（60km），一個相當均一的岩石圈（60～1000km深度）和一個部分液化的岩流圈（1000～1740km深度），在岩流圈的底部可能存在一個小的鐵核或硫化鐵核，但其存在與否尚未得到證實。

　　（10）月球在總體形態上有輕微的不對稱現象，這可能是地球重力影響的結果，月殼在月球背面較厚，而大部分火山熔岩充填的大型月海盆地和質量瘤多存在於月球正面。在月球的內部，質量並不是均勻分佈的，大的質量密集區（“質量瘤”）位於許多大型月海盆地的表面之下。

　　（11）現在的月球是一個古老的、“僵死”的星體。月球的內部能量已近於衰竭，表面熱流僅為2μW/cm2，內部的地溫梯度也很小，月震釋放的能量小于106J/h，每年月震釋放的能量僅相當於地震的1億分之一。自31億年以來，月球沒有發生過顯著的火山活動和構造運動，因此，月球的“地質時鐘”停滯在31億年之前，至今仍保留了其早期形成時的歷史狀況。

　　月球在46億年前形成，和地球是同齡，所有太陽系的天體都是那個時候形成的。月球的主要內部能量已于31億年以前釋放殆盡。地球還要有45億年的生命，那個時候將是什麼景象？現在的月球給了我們一個示範，那時的地球的內部就像現在的月球一樣。當然太陽的生命將更長，地球的表面仍然是很繁榮的，這跟地球內部的能源沒有太大關係。

　　（12） 根據對月球各類岩石的成分、結構與形成年齡的研究，月球演化歷史的重大事件可歸納為以下幾個階段：① 月球的形成年齡約45.6億年；② 月球形成後曾發生過較大規模的岩漿洋事件，通過岩漿的熔離過程和內部物質調整，于41億年前形成了斜長岩月殼、月幔和月核；③ 在40億～39億年前，月球曾遭受到小天體的劇烈撞擊，形成廣泛分佈的月海盆地，稱為雨海事件；④ 月海氾濫事件，在39億～31.5億年前，月球發生過多次劇烈的玄武岩噴發事件，大量玄武岩充填了月海，厚度達0.5～2.5km；⑤ 31.5億年以來，月球內部的能源逐漸枯竭，再也沒有發生大規模的岩漿火山活動與月震，但小天體的撞擊仍然不斷發生，形成具有輻射紋及重疊的撞擊坑，使月面斑駁陸離、千瘡百孔。

　　（13）月球起源的理論主要有四種假説：① 捕獲説；②共振潮汐分裂説；③雙星説；④大碰撞分裂説。近年來，“大碰撞分裂説”獲得了大量的證據並得到了大多數學者的支持。

　　總之，現在的月球是一個古老的、“僵死”的星體。月球的內部能量已近於衰竭，月震和表面熱流均極小。月球的“地質時鐘”停滯在31億年之前，這對研究地球早期演化歷史具有重要意義。火星是一個老態龍鐘接近死亡的天體，而地球仍然是生機勃勃的、壯年期的天體。這也和質量有關，質量越大，內部儲存的能量及産生的能量也越多，所以維持的生命更長。這跟恒星相反，恒星是質量越大生命越短。

　　（二）月球探測寧靜期（1976~1994年）

　　自1976年以來，延續約18年沒有進行過任何成功的月球探測活動，其原因可能是：隨著冷戰形勢的緩和，隨後前蘇聯的解體，空間霸權的爭奪有所緩解；需要總結探測活動耗資大、效率低、探測水平不高的經驗與教訓，提出新的探測思路和戰略；以月球探測獲得的技術為基礎，將月球探測技術向各領域轉化、推廣和應用，完善航天技術系統，研製新的空間探測技術，如往返運輸系統、高效探測儀器等，為進一步開發利用外星資源進行科學和技術準備；需要較長時間進行探測資料的消化、分析與綜合，將月球科學研究提高到更高理性認識的階段。