月球上的“交通”污染
2021-01-19 19:00

月球上的“交通”污染

本文来自微信公众号:Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Alexandra Witze,原文标题:《月球上的“交通”污染,如何保护月极的冰?》,头图来自:视觉中国


科学家希望出台指南,指导人们以负责任的方式勘探月球两极的冰


2020年12月,中国启动月球采样返回任务,标志着月球将迎来新一轮的“游客”大爆发。在未来三年内,俄罗斯、印度、中国、日本和美国等国家至少将发射8架航天器登陆月球表面。


有史以来第一次,若干即将展开的探月任务将探索月球上一些最令科学家们感兴趣,但也是最敏感的地区——月球两极。研究月球两极阴影区陨石坑内冰冻的水,让研究人员非常兴奋,但是他们也担心这类任务的增加可能会污染他们一心想要研究的冰。


美国宇航局(NASA)的VIPER月球车将配备一个一米长的钻孔机,开采月球表面下的冰。来源:Daniel Rutter/NASA Ames


由于各种各样的原因,月球上的冰对科学家们具有重要意义。有些科学家想要分析原始样品,发现有关几十亿年前地球和月球如何积累水以及具体何时开始积累水的线索。另一些科学家想要开采冰,将其用作未来月球基地上的火箭的燃料。


当前的一个艰难抉择是:他们应该立即开始挖掘,制定采冰和将冰转化成燃料的工艺?还是缓慢行事,小心保存月冰里面包含的科学信息?“现在有些科学家说我们丝毫不能靠近那些冰,因为那样会毁了这些冰。”美国圣母大学的地球科学家Clive Neal说,“另一些人认为我们需要那些冰,所以要去得到它们。”


以上分歧需要尽快解决,尤其是考虑到NASA计划向月球南极发射一系列探测器:先是在2022年发射机器人着陆器,几年后再送宇航员登上月球表面——这将是1972年以来的第一次。


此前,著名的美国国家科学、工程和医学研究院(NASEM)发布报告称,航天机构需要明确他们在月球两极进行科学探索的优先级,才能保证探索的有效性。国际空间研究委员会(COSPAR)给出了空间探索的最佳实践,它也在评估目前的情况,将在未来几个月决定是否发布新的月球探索指引。NASA正在等待国际空间研究委员会的决定,届时可能将更新自己的监管规定,指导如何以负责任的态度探索月球。


随着探月任务的增加,“我们有义务不给未来的科学探索造成任何损害。”位于NASA总部的行星保护官Lisa Pratt说。问题是,“我们要怎么做才是正确的?”


任务冲突


迄今还没有任何航天器直接探索过月球的两极以及那里的冰。唯一曾差一点成功的任务是印度的Vikram着陆器,2019年Vikram从距离月球南极约600千米的高空坠毁,没能成功着陆展开月面探索。


中国计划开展的嫦娥六号任务可能会对月球南极进行探测,挖掘那里的冰和岩石,并最早在2023年将样品返回地球。嫦娥六号之前的嫦娥五号于2020年12月在月球中纬度地区采集到了岩石。日本和印度也一直在讨论派机器人任务去探索月球南极,俄罗斯和欧洲也曾有过这样的想法。


至于NASA,在特朗普政府执政期间,该机构已在规划一系列集中探索月球两极的探月任务。根据目前的计划,NASA将在2022年向月球南极发送两个机器人着陆器,2023年再发送一个更大的机器人月球车,叫VIPER。VIPER将利用一米长的钻孔机挖掘月壤中的冰。NASA在2020年12月发布的一份报告中称,最早在2022年,人类就能登陆月球,开始探索含冰陨石坑。他们的一个目标可能是采集冰,并将处于冰冻状态的冰送回地球上的实验室进行研究。


50年前,阿波罗宇航员代表人类首次登上月球表面时,还没有人料想到探测项目也能污染月冰。当时,研究人员认为月球是十分干燥的。大概在十年前,研究人员才意识到月球上的许多地方有水,包括在两极阴影区陨石坑内冰冻的水[1]。科学家甚至在月球向阳面至少一处地方发现了水,这些水包裹在本来较干燥的月壤矿物质中[2]


所有这些水可能通过富含水的小行星或彗星抵达月球,或者通过轰炸月球表面的太阳风。有一部分水可能来自月球内部——从富含水的内部的火山喷发中喷出来。无论来源为何,月球上的水都包含了关键的科学信息。


来源:Kevin Cannon


月球两极阴影区陨石坑内的冰可能是经过几十亿年的累积形成的。如果确实如此,它就不仅包含月球早期历史的线索,也包含地球早期历史的线索。


月球可能形成于约45亿年前,当时有一个巨大的天体撞击新生的地球,撞击产生的碎片聚集形成了月球,月球和地球的历史也因此密不可分。在地球上,地质活动(包括板块构造)抹去了地球早期历史的许多记录,但是月球上无此类活动,使之成为一个完美的研究对象。


“月球上水的历史包含许多关于太阳系如何演化的线索。”NASA艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的行星科学家Ariel Deutsch说。


潜在的污染问题


考虑到月冰的重要性,许多研究人员对实际勘探持谨慎态度,一些科学家一直在评估火箭喷焰可能对冰造成的污染。


不久之前,约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的行星科学家Parvathy Prem及其同事模拟了一个中等大小着陆器在月球南纬70º着陆的场景,这里距离南极含冰陨石坑几百千米。模拟显示,即使火箭不释放太多的水,但是最终释放出来的水会在月球表面扩散并存留一段时间[3]


即便过了两个月球日——地球上的两个月——火箭释放的水约有30%~40%仍会存在,大部分在月球的阴面冷冻起来。“问题在于,水蒸气会四处扩散。”Prem说。因此,月球极地的冰已经被过去的探测器污染过了。


国际空间研究委员会询问了数百名行星科学家,看看他们有多担心探月对月球两极科考的可能影响。“2020年有70%以上的回复者表示,他们担心污染可能损害月冰中所包含的科学记录。”欧洲空间局行星保护官、国际空间研究委员会行星保护委员会副主席Gerhard Kminek说。


Prem和Deutsch等19名科学家向NASA提交了一份白皮书,提议在月球南极或北极的某个阴影区陨石坑开展“起源优先”(origins-first)任务,目的是在月球探测大爆发之前合理地收集月冰原始样品,帮助科学家确定月球上的冰是如何累积起来的。“这样的任务可以准确地揭示月冰具有多么重要的科学意义,以及是否应该推迟采冰任务。”中佛罗里达大学空间科学家、白皮书共同作者Esther Beltran说。


NASA目前没有给“起源优先”任务划拨经费,而且继续计划向月球极地地区发送多个航天器。但是NASA也在听取对此存有忧虑的科学家的意见,并采取谨慎的行动。NASA行星保护官Pratt说,“我们需要在追求资源利用和推进科学发现与求知之间达成平衡。”


与此同时,如果国际空间研究委员会采用新的探月指引,那么NASA和其他国家的航天机构可能也将跟进。国际空间研究委员会目前的指引要求各国将探月任务中携带的所有有机材料都记录下来,如碳复合材料、涂剂和粘合剂。“这样有助于缓解有关污染的担忧,”Kminek说,“因为它明确告知了科学家什么样的人造材料进入了月球环境。对于未来的探月任务,一个潜在转变是将火箭或生命支持系统可能释放的各种气体记录下来。包括中国国家航天局、商业公司SpaceX和Blue Origin在内的相关方已经在和国际空间研究委员会讨论这些潜在改变。”


决定、决定、决定


尽管这些讨论仍在持续,但也有一些科学家并不太担心污染问题。Neal等人表示,火箭喷焰产生的水蒸气只会在月球表面最上层形成一个薄层,因此不用太费力就可以往下挖,获得下层未受影响的冰。此前,美国国家科学、工程和医学研究院的一份报告指出,被埋冰的受污染风险不高。


科罗拉多矿业大学的行星科学家Kevin Cannon认为,挖掘月冰所带来的少量污染远不及发现这些冰分布在哪里、如何分布这样的科学进步重要。他一直在绘制地图,希望能揭示月球上最大、最易获取的冰储可能在哪里[4](见“月球上的冰储”)


另一些科学家提出了一些保护月冰的提议。一种是将月球的一极保护起来用于科研,开放另一极用于开采勘探。还有一种是将部分含冰陨石坑划定为禁入区。月球上有很多这样的陨石坑,小的陨石坑还不及人的手掌大[5],大的陨石坑直径可达10千米——科学家认为,并非所有这些陨石坑都需要勘探。


“我们需要保证我们的眼光足够长远。”Prem说,“谁知道后代科学家想要做什么?”


参考文献:

1. Li, S. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, 8907–8912 (2018).

2. Honniball, C. I. et al. Nature Astron. https://doi.org/10.1038/s41550-020-01222-x (2020).

3. Prem, P., Hurley, D. M., Goldstein, D. B. & Varghese, P. L. J. Geophys. Res. Planets 125, e2020JE006464 (2020).

4. Cannon, K. M. & Britt, D. T. Earth and Space Science 7, e2020EA001291 (2020).

5. Hayne, P. O., Aharonson, O. & Schörghofer, N. Nature Astron. https://doi.org/10.1038/s41550-020-1198-9 (2020).


原文以Will increasing traffic to the Moon contaminate its precious ice?标题发表在2021年1月5日的《自然》的新闻版块上


本文来自微信公众号Nature自然科研(ID:Nature-Research),原文作者:Alexandra Witze

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