科学为名 探秘繁星

谢明昊

“长河渐落晓星沉”“星垂平野阔，月涌大江流”……从古至今，流传着许多描写星辰的千古名篇，字字句句中都可见人类对于星空的好奇与向往。随着科学手段的不断发展，人类渐渐开始对地球、宇宙都有了初步的认知：原来俯仰之间的漫天星辰，只是宇宙中无数星体成员的映射。但奇妙而客观的观测数据并未浇熄人类对宇宙的美好想象，反而激发出了一代代科学从业者更为热切的求索之心，甚至由此而衍生出对地球和行星动力过程的研究。

地球和行星动力学是研究地球、行星、卫星和行星系（特别是太阳系），以及它们形成过程的科学。研究对象从地球本身到小的微流星体，大的气态巨行星;研究目标集中在它们组成、结构、动力机制以及相互之间的关系和演化。起源于地球动力学，通过结合天文学、地球和行星动力学高度整合的地质、地球物理、地球化学和冲击动力过程来系统约束地球和行星的驱动过程，掌握它们的演化规律，并预测它们的演化结果。此外，行星动力学与天文学存在一定区别，行星动力学的研究集中在人类已经取得观测数据和样品，旨在深挖其背后演化的成因与过程。以北京大学地球与空间科学院副教授张南的主研领域为例，他带领北京大学地球与行星动力学实验室在地球超大陆演化、月球表面构造与内部结构以及冰卫星冰川变形的相关研究中深耕多年，以现有的观测数据为基础，承担了众多国家级重大项目，为我国嫦娥探月、火星研究等提出了大量有意义的科学问题。

心之所指 兴趣使然

与多数科学研究者一样，张南对于科学研究的热忱发源于自身的兴趣，但其独特之处在于，他最初的兴趣点聚焦在科学探究的“装备”之上，“我考大学是在1996年，当时计算机还没有全民普及。我和北京大学招生老师仔细地讨论了地震地质实验很多是要用计算机进行模拟的，这对我来说有非常大的吸引力，再加上有老一辈亲戚在中国石油勘探开发研究院从事地球科学方面的研究，讲解了一些基础的研究内容和方法，我觉得很有意思。尽管身边也有一些人说地质专业比较冷门，但是我并不在乎”。一次正确的选择影响力会有多大，这是少年时的张南尚未想象到的。

顺利考入人人艳羡的顶级学府，张南并未因此而放松对自己的要求。在北京大学度过的7年求学生涯之中，他努力汲取相关专业知识，按照初心进行了地球动力学建模方面的研究，并且开始关注行星动力学研究。不断扩充自身科学视野的张南在硕士毕业后产生了更为深远的想法，他想走出国门看一看。一向行动力极强的他选择的第一站便是加拿大多伦多大学地质系。然而，同样从事地球物理学专业的研究，在多伦多大学从事的项目局限的区域非常小，无法满足张南对地球和行星动力学演化的兴趣。“在加拿大的两年中，研究一天天在推进，但我却觉得与我感兴趣的内容渐行渐远，所以我觉得应该换一个更宏大的方向重新开始。”这并非一句空谈，对学术的纯粹追求给予了张南莫大的勇气。不久后，他便前往美国科罗拉多大学物理系开启了自己的博士生涯。

博士毕业后，张南先后前往布朗大学和伍兹霍尔（Woods Hole）海洋研究所工作，繁忙的工作填满了他的生活，密密麻麻的工作日程表让他无暇顾及对祖国的思念。然而随着我国经济与科学的飞速发展，国内的环境相较之前有了质的飞跃。因此，在旅居海外11年后，当张南于2015年年底再次踏上祖国的土地时，不得不由衷感叹北京翻天覆地的改变。但归国的喜悦也并未冲淡他所面对的压力与挑战，在入职北京大学并顺利承接国家高层次人才计划项目的同时，张南又收到联合申请的联合国教科文组织的地球科学项目“超大陆演化周期与地球动力学（Supercontinent Cycle and Global Geodynamics）”通过的通知。于是在接下来长达4年的时间里，他每隔几个月就要跨越一次南北半球，充分体验反季节的“穿越式改变”。

频繁的长途飞行与强烈温差，再加上科研工作的压力，最终使张南不得不面对心血管疾病的侵扰。饶是如此，张南也并未动摇对行星动力学的向往与信念，并在如此忙碌的两年中，还在学校的大力支持下完成了地球和行星动力学实验室的建设工作，为更多“仰望星空”的学子创建了探秘宇宙的平台与机会。

解密月球 能量起源

“其实我的研究方向听起来有点科幻。”张南不无打趣地说道。诚然，由于宇宙具有“时间无尽永前、空间无界永在、质量无限永有”的独特神秘性，所以“外太空”一直是众多科幻小说家偏爱的着力点，同时也是科学界的宠儿。在一众天体之中，“月球”又有着独一无二的特质——它是地球唯一的天然卫星。作为距离地球最近的一颗星球，它从人类开始探索太空之初就使无数科研工作者为之侧目。从1959年的“Luna2”到2021年的“嫦娥五号”，至今人类已经有了近60次与月球相关的太空探索。

通过大量的观测与分析，目前，月球被普遍认为起源于一次45亿年前的撞击。当一个火星大小的星体猛烈撞击原始地球，月球便从地球分裂出来，最近的观测数据也显示其硅酸岩部分的化学成分与地球的硅酸岩部分十分相似，从而佐证了这一假说。但是，以张南为代表的科学家却从月球观察到的区域结构和特征提炼出了整体结构演化的重大科学问题。据悉，月球的表面几乎没有大气，只有从风化层飘起的尘埃。另外，月球与地球潮汐锁定，其近地面（指永远朝向地球的半球）和被地面地表地形呈正面低地、背面高地的不对称结构：正面是广泛分布的月海玄武岩，其中富含钾（K）元素、稀土元素（REE）和磷（P）元素，这在月球研究中一般简称为KREEP;而背面则分布着大量且极为古老的斜长岩，这一不对称的分布形态与月球的热演化密切相关，也是月球演化最重要的约束。那么，究竟是什么原因造就了这一特殊现象呢？

为进一步探究，张南在2017年正式启动了国家自然基金委面上项目“放射性生热元素在月球里的运移对月球不对称结构的影响”，试图从行星内部动力学及天体撞击动力学方面来理解此结构。在研究中，张南带领团队发展完善了三维月幔耦合一维月核数值模拟的方法和三维陨石撞击动力学方法。结合最新观测，从月球岩浆洋后期分层结晶开始，系统研究月球生热元素在月幔反转和月球火山过程中的演化。值得一提的是，此项目为全球首次整合三维撞击动力学和三维核幔耦合对流动力学，从而形成了连续演化模型。这一突破的取得存在着极强的现实意义，极大程度上迎合了我国探月工程中列出的重大探索目标与科学焦点：第一个是背面地表和内部结构，KREEP运移演化涉及全月球的时空分部，能为背面探索提出基本科学问题并做好准备;第二个是钛铁矿的分布，钛铁矿是上好的工程用礦物，也是潜在的生氧生水的矿物，对人类开展月球登陆和基地建设起到关键的支撑。此外，从更广义的方面来讲，由于月球是从地球分离出的星体，因此对地球早期状态的探究工作也可从月球表面保存的岩石和陨石中得到许多有效信息。

虽然项目的成绩是显而易见的，但其实这也只是张南团队研究领域中的一个方向而已。在项目完成之后，他并未在成果带来的欣喜之中多做停留，而是转身又投入了茫茫学海之中。

大陆巨变 沧海桑田

事实上，从2004年张南开启研究生涯以来，一直贯穿其中的一个课题便是针对超大陆演化的研究。经无数地质学家研究证明，如今的7个大洲在2.3亿年前原本存在于一个大陆之上，被称为潘多拉泛大陆。大陆漂移学说普遍认为，此大陆在1.9亿年以前逐步解体，才形成了如今的大陆和大洋。然而，最新研究表明，现如今这些板块正在以每年约4.9cm的平均速度移动，因此科学家们预测，在约2.5亿年后，这种移动终将导致地球七大洲重新聚集在一起，再次形成超级大陆。

由张南组建的地球与行星动力学实验室长期以来都引领着全世界在超大陆-地幔动力学领域的前沿探索。通过对超大陆汇聚与裂解、全球造山带和海底火山、全球地幔对流模式和地圈、地核圈耦合的研究，张南的课题组提出了新的大陆演化模式。并重新预测了下一期的超大陆事件，其可能发生在3.5亿年以后。这一机制的研究改写了半个世纪以来板块动力学演化的经典理论——“威尔逊旋回理论”（Wilson Cycle），目前仍有待全世界板块动力学家和地球动力学家的验证和讨论。

由于此种学说衡量的时间尺度是地质时间，所以其当下的现实意义往往会被人们所忽略。但是据张南介绍，超大陆的成因及演化研究其实与地球环境息息相关，最直接的一个应用方向便是针对数年前在科学界掀起热潮的“火星殖拓”。行星科学界有观点称，火星是目前星体之中最适宜人类进行殖拓迁移的星球之一，除却其本身的硅酸盐结构与地球的物质组成极为类似外，它同时也是和地球一天时间最接近的类地行星（24小时37分）。虽有种种优势，但是火星环境相较于生命的适宜生存环境来看，仍有不小差距。除了显而易见的温差需要进一步缩减之外，最“致命”的问题则是因为大气层，火星的大气密度甚至不足地球的1%，怎样人造一个适宜人类殖拓的环境，生成足够的二氧化碳浓度的火星大气是人类正在面临的实际挑战。

但是近期，在火星表面观测的证据表明火星局部有类板块构造。而且，火星地壳中呈线性形状和极性交替的磁异常已被轨道卫星探测到。构造学家认为，它们与在地球海底发现的类似条纹具有共同的起源，可能火星在过去有类大洋中脊扩张的结构。同时，构造学家也识别出大规模的走滑断层带，可以将其比作地球上的板块边界转换断层（例如圣安地列斯断层）。这些类板块构造观测提供了使用地球上充分发展的板块破裂方法在火星上制造火山和二氧化碳气体的方法，其中的一些诀窍就在于超大陆板块动力学的研究。由此可见，其实万亿年间的沧海巨变距离现实生活也并不遥远，其影响力就切实发生在每一个人身边。

事实上，行星科学最初发源于无数来自古中国、古希腊、古阿纳萨齐等远古人类文明的手稿与图画之中，对行星的观测甚至可以追溯至文字记录前的世界，那些跃然纸上的笔笔涂绘都在跨越千万年向我们诉说着古人对天体现象的向往与兴趣。虽然，随着科学的发展，我们已经可以解答部分来自远古的疑问，但迄今，遥远的星辰在人类看来仍旧是一个个巨大的谜团。因此，在未来，继续徜徉在万千星象和沧海桑田中的张南团队，仍须将这份求索精神薪火相傳，在探测手段及专业知识的不断更迭中探索更多大自然遗留下的秘密与启示。

（责编：关弋）