我们去月球做什么？

2014-04-17鲁暘筱懿

天文爱好者 2014年11期

□ 鲁暘筱懿

我们去月球做什么？

□ 鲁暘筱懿

科学家设想的未来月球发射场

月球在中国古代有玉鉴、桂宫、婵娟等美妙的别称，可见古时候的人们对月球的理解是多么的富有想象力。那时的人们不但对月亮的阴晴圆缺现象加以揣测从而提出自己的解释，而且还幻想人类登上月球后嬉戏仙游的景象。随着科学技术不断发展，人类对于地外空间尤其是月球世界的探访欲望越发强烈，最终于美国东部时间1969年7月20日16时许，第一个人类的脚印被永久印在了月球静海南部地区一块较为平坦的区域上，自此宇航员阿姆斯特朗（Neil Alden Armstrong）的名字为世人所熟悉。人类由起源地地球跨向月球的这一步大约用了一千万年时间，但真正用于登月知识储备到技术实现却是从伽利略利用单筒望远镜系统观测月球后的300多年时间。成功登月标志着，人类已完成了由地球摇篮里的襁褓向外层空间蹒跚学步的“宇宙孩提”转变。而对于月球这样一个低重力、几近真空且昼夜温差较大的环境，我们人类可以在那里做些什么呢？

月球发射场

作为地球唯一的卫星，月球与地球组成了一个环绕太阳公转的“地月系统”。系统内外蕴含着巨大的天体力学能量以及丰富的科学实验资源。未来，利用月球矿产资源在月球上建立火箭生产线并在月球表面建立火箭发射场；利用地月轨道资源更合理地发射运载火箭，使月球成为继地球轨道空间站之外人类又一探索宇宙的“宇宙港”，为探索更遥远天体注入强大“推力”。利用月球上空气阻力几乎为零和月球重力加速度很小等天然条件，由月球向宇宙空间直接发射运输器，合理设计月球与目标天体间的运输器轨道，可以节省大量燃料，使得发射活动更经济可靠。以往人类往返月球和地球的太空任务验证了这项技术的可靠及可控性。当然，在此之前人类需要亲自踏上月球并实地完成基地选址的规划与设计，将建设基地的物资设备逐步送上月球，并建设起永久性月球基地。

左背向地球的月球表面右艾肯（Aitken）环形山与北京市面积比较

月球资源开发

北京市面积16801平方千米，与月球表面艾肯环形山(Crater Aitken)的面积相当。这样一块并不大的陆地面积却生活着约2100万人口。月球表面总面积为3800万平方千米，约是北京市面积的2300倍。大家不妨设想一下，月球的陆地资源对于解决地球上日益突出的人均生存空间减少问题真不失是一个可预见的解决办法。

人类要想真正摆脱地球资源对人类发展的束缚，学会并掌握利用月球资源的技术是十分必要的。近四十万千米的地月距离可使人类在学习这项技术初期不必受去火星那样的长途跋涉之苦，节省有限的探索和开发代价。对于这样一个地球村的“卫星城”，人类在现有工程技术和科学知识的基础上，可以大胆发挥想象力，尽量汲取地球上因不合理的开发对环境带来的恶劣影响的教训。那么月球上究竟有哪些资源是可以“为我所用”的呢？根据遥感数据对月表“扫描”的结果，目前人类已经知道月球表面不仅存在汞、银、钠、锰、铁、钾、镁等工程建设材料制造所必需的元素及其化合物，月表中还含有氦3这样的未来能源。当人类利用由月球上直接采集到的矿石建设月球工业及科学设施的时候，我们地球疲惫不堪的环境是否会有所改变呢？

艺术家眼中的中国月球空间站

月球上的科学活动

嫦娥三号月基光学望远镜拍摄到的近紫外波段天龙座部分天区星空图像。这台随嫦娥三号探测器登月的月基望远镜焦距200mm，主要用于极紫外光学波段天文观测，望远镜总质量13．5kg（©CLEP）

1.月面天文观测

人类为了观测宇宙更遥远的天体细节，不断摸索并制造着更大更精密的望远镜。迄今为止，人类计划修建的最大光学望远镜“欧洲特大天文望远镜”（E-ELT）处于智利北部阿塔卡玛沙漠中心的海拔高度3060米的阿马索内斯山，直径将达39.3米，望远镜主镜面重量147吨。这架巨型光学望远镜将首次直接观测围绕遥远恒星轨道运行的行星。并通过其大气成分来推断那些行星是否曾经存在过生命。但是这样大的望远镜设备自选址到最终实际观测整个过程中都面临诸多挑战。能否达到望远镜设计要求还取决于地球大气层扰动等自然因素的影响，并且在地球上要想找到一块像阿塔卡玛沙漠这样较为理想的观测场地实非易事。如果利用月尘提取出的物质在月球上直接制造望远镜，再加上月球表面低重力、大气稀薄等物理特点，望远镜光学性能和观测效果可想而知。对于月球上架设射电和光学望远镜目前科学界虽有不同意见，但这必将是未来天文观测又一技术创新点。目前如在月面开展长期天文观测，还需要克服陨石及高能宇宙射线粒子或太阳风对望远镜的破坏。

宇航员在月面放置天文望远镜时场景想象图[[©NASA]

月球表面撞击坑内侧峭壁上的滑坡现象[©NASA]

2.月面上的地质活动观测

“明亮”的月陆和“暗淡”的月海——两种主要地形构成了月表世界。月球正面主要以月海为主，其中不乏“风暴洋”、“雨海”这样著名的月海。月球背面则以陆地为主，上面分布着许多著名的环形山，其中就有以齐奥尔科夫斯基名字来命名，直径达到180千米的大型撞击坑。根据计算，月面上直径大于1米的撞击坑数量有近3万亿个，并且这个数字还在继续不断地增长中。这其中有的撞击坑的演化不仅受到外部撞击的影响，它们的形成不同程度上还受到来自月球内部的作用。如此庞大的撞击坑样本库为我们研究月球地质演化提供了丰富而生动的资料。对于月球地质地形的研究也将对未来月球基地建设大有裨益。

3.月球上的生物学研究

人们一般认为植物之所以“地上开花结果，地下根系发达”是因为重力因素所导致的植物生长模式。重力在植物生长的整个过程中会提供生长方向“提示”。但是国际空间站的一项“光照对植物生长影响”实验却改变了我们对植物生长模式的认识。科学家发现这些在宇宙低重力环境中的植物依靠光的指引选择了根芽背向生长的模式。而导致植物根系遵循与地面上相同生长模式的原因是受了植物体内生长激素所含的“辉光基因”影响，正是这种基因“告诉”植物利用光来代替重力而形成“上下差异”。以往宇航员在空间站中因为低重力环境可导致肌肉萎缩和生物钟紊乱，这类困扰人类宇宙探索的宇航医学问题在月球上将会得到更好的跟踪研究与解决。

国际空间站（ISS）植物无重力环境下生长模式实验[©NASA]

在月球这样一个与地球截然不同的真空环境中，人类将开拓前所未有的科学探索领域。以往很多科学理论将会得到验证及拓展。也许我们将再次进入“科学大发现的时代”。

人类在经历20世纪中叶探月高潮后正在更加冷静和富于创新地准备着又一次去往月球的旅程。目前世界上各主要航天大国都对建立月球基地表现出兴趣，纷纷提出了自己的月球基地雏形。人类已有“阿波罗”、“月球”及“嫦娥”等众多具有里程碑式的探月任务，利用它们发现的月球科学知识以及日新月异的科技成果，我们应该坚信人类终将完成又一次大迁徙式的开疆扩土壮举。随着科学技术的不断发展，人类将会向着太阳系以外的宇宙空间继续探索，作为深空探测前哨的月球必然会被我们更好地加以利用。借鉴地球上人类因生存而对环境改造的经验与教训，我们将会以更加科学与长远的理念去经营月球这片新大陆。

各国未来月球基地

俄罗斯的未来月球实验场

日本未来的月球站

美国充气月球基地模型

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月球轶事

月球重力加速度只有地球上的六分之一，在地球上跳高运动的本质是人的重心移动的高度变化。如果人在地球和月球上起跳时的重心高度和弹跳力保持不变，那么相应增加跳跃高度只是因重心提高值为地球上的6倍，例如，地球上如果一个人跳高成绩是2米，考虑重心高度变化情况和相应重力加速度变化因素，那么在月球上此人可以跳过9米左右的高度。设想一下我们人类在移居月球后，一个温度较为舒适的时间选择在一片较为平坦的月面进行月球奥林匹克田径赛的场景。