基于文献计量的月球科学前沿研判*

张腾飞 王燕海 杨蔚** 刘洋 吴登生 吴伟 魏勇 林杨挺 李献华

月球是地球唯一的天然卫星,是距离地球最近的天体,是人类开展深空探测的首选目标。月球探测除了具有重大的经济、政治和军事意义之外,还对自然科学研究具有强大的牵引作用(欧阳自远, 2007)。人类对月球的认识主要来自美国阿波罗计划和苏联月球号探测计划实施50多年来对月岩样品的研究,以及包括我国嫦娥探月工程在内的新一轮月球探测的成果(林杨挺, 2010)。

嫦娥探月工程的成功实施推动了我国月球科学研究从调查跟踪研究逐步向自主探索转变,吸引了大量其他领域研究者参与到月球科学研究(Leetal., 2023),并取得了丰硕的成果(李春来等, 2021; 刘建忠等, 2013)。尤其是2020年嫦娥五号任务完成我国首次地外天体采样,将我国月球科学研究带入了新的阶段(Yang and Lin, 2021)。自2021年7月12日首批嫦娥五号月球样品发放至今,我国科学家在月壤性质与物质组成、月球年轻火山活动时间与机制、月球撞击玻璃和形成过程、月表太空风化等方面,取得了系列原创成果(详见综述Chenetal., 2023),在国际学术界引起了广泛的关注(Carlson, 2021; Mallapaty, 2022)。

深空探测是国家科技规划和发展战略的重要组成部分,是实现科技强国的重要驱动力之一,也是大国展现综合国力的舞台(杨蔚等, 2021)。未来我国还计划在2030年前实现载人月球探测(刘峣, 2023(1)刘峣. 2023. 月球探索新任务新想象. 人民日报海外版, 2023年07月20日, 第009版),在2035年前建设国际月球科研站(裴照宇等, 2020)。如何在未来月球探测任务中最大化实现科学新发现,是摆在我国月球与行星科学研究者面前的新的历史使命。因此,研判月球科学前沿领域,调研我国在该领域的研究现状,对我国未来月球探测和研究的规划与组织至关重要。

本文基于科学引文索引系统Science Citation Index(SCI)的基础数据库Web of Science(WoS)的数据,利用文献计量学方法(丁洁兰等, 2021; 任胜利等, 2023),定量研究了月球科学领域的论文产出数量、学科和期刊分布、各主要国家和机构的竞争力、研究领域和热点、国际合作等现状,并梳理出月球科学前沿研究领域,总结我国在该领域的现状和不足。本研究结果将为我国未来月球探测和研究的规划与组织提供参考。

1 数据采集与分析方法

文献计量学是图书情报学的一个分支,它以文献计量特征和文献体系为研究对象,使用数学、统计学等计量方法,评价科学技术的现状并预测其发展趋势(邱均平, 1988)。采用文献计量学理论和方法,对科学研究进行定量评价是一种重要途径和有效方式(高俊宽, 2005)。

本文数据来源于WoS数据库(http://www.webofscience.com/wos)。该数据库收录了12000多种世界权威的、高影响力的学术期刊,内容涵盖自然科学、工程技术、生物医学、社会科学、艺术与人文等领域,最早回溯至1900年,是当前学术界公认的评价体系数据库。本文以主题词为“moon or lunar”作为检索式,检出1900年以来的数据总计39249条,然后在学科类别选项中过滤掉人文社科、艺术、生物、医学、生态学、海洋科学等,因为这些类别里的论文基本与月球科学本身无关,而是关于地球生物、疾病、文化、习俗可能受到月相的影响等。余下的自然科学、工程技术以及相关交叉学科共有31032条SCI论文数据,数据采集时间为2023年7月18日。

以上述获得的31032条SCI论文数据作为基础数据库,本文开展如下分析工作:(1)利用WoS网站分析功能,对论文学科、期刊、国家、机构、作者、国际合作情况分析,并获取逐年演变数据,并对这些数据进行演变趋势分析;(2)从WoS网站下载论文基础数据,导入VoSViewer软件(Van Eck and Waltman, 2009) 进行词频聚类分析,截取关键词词频在150次以上的129个关键词,过滤掉Moon、Lunar、Earth、Mars等与天体相关的词汇,把最终遴选出的112个关键词定义为高频关键词,然后对其进行聚类分析;(3)利用VoSViewer软件筛选出Links值排名前2%的文章,共621篇,定义为重要论文,然后对重要论文进行聚类分析;(4)基于上述文献计量结果,梳理出月球科学的主要研究领域和热点问题,总结国际、国内月球科学研究现状,为我国未来月球探测和研究的规划与组织提出意见和建议。

2 论文产出分析

本文首先对月球科学领域论文产出排名前十的学科、期刊、国家、机构及其论文数量占比进行分析比较(表1、表2),然后对不同学科、期刊、国家、机构的论文产出随时间(1962～2022年)的变化进行分析(图1、图2、图3、图4),列出高产作者(表3),对比中美两国国际合作的现状(表4、图5)。

表1 月球科学领域论文产出排名前10的学科和期刊

表2 月球科学领域发表论文数排名前10的国家和机构

表4 月球科学领域与中国和美国合作的国家

图1 1962～2022年月球科学领域4个代表性学科年发表论文数和占比演变Fig.1 Number and percentage of annual publications in lunar science by 4 disciplines from 1962 to 2022

图2 1962～2022年月球科学领域8种代表性期刊年发表论文数和占比演变Fig.2 Number and percentage of annual publications in lunar science by 8 journals from 1962 to 2022

图4 1962～2022年月球科学领域5个代表性机构年发表论文数和占比演变Fig.4 Number and percentage of annual publications in lunar science by 5 institutions from 1962 to 2022

图5 中美两国与其他国家在月球科学领域国际合作情况对比Fig.5 Comparison of international cooperation between China and the United States in lunar science

参考欧阳自远等(2003),本文将人类月球探测活动划分为4个阶段:(1)1962～1976年是第一次探月高潮,缘于美国阿波罗计划,简称为“第一次高潮”;(2)1976～1990年是月球探测平静期,简称为“平静期”;(3)1990～2003年是重返月球计划时期,简称为“重返月球”;(4)2004年至今是以我国嫦娥探月工程为代表的无人探月阶段,简称为“嫦娥探月”。

2.1 学科

月球探测和研究推动了几乎所有自然科学学科的发展,而影响最大的,即月球科学领域产出排名前十的学科依次是:天文学与天体物理学、地球化学与地球物理学、地球科学综合、自然科学综合、航空航天工程学、气象与大气科学、电子与电气工程、物理学综合、遥感科学、影像科学与摄影技术(表1)。本文选取天文学与天体物理学、地球化学与地球物理学、航空航天工程学和遥感科学4个代表性学科进行论文产出和占比的演变分析(图1)。

从图1a可以看出,天文学与天体物理学、地球化学与地球物理学及航空航天工程学年发表论文数的变化趋势与人类探月工程的实施密切相关,在阿波罗计划实施期间各自出现一个小的峰值,在平静期均没有突出的成果产出,随着1990年美国重返月球,这3个学科的发表论文数又出现新一轮的增长,嫦娥工程的实施进一步推动了这些学科的发展,而且增长趋势仍然在延续。

论文占比方面(图1b),天文学与天体物理学大部分时间保持在30%～40%,在平静期出现两个低谷,下降到14%左右。地球化学与地球物理学虽然年论文占比不是最高,但在阿波罗计划阶段曾猛增至50%,可见载人月球探测和样品返回的主要成果来自于地球化学与地球物理学的支撑。

遥感科学的变化趋势与以上3个学科不同(图1),2012年之前几乎没有太多成果产出;直到2013年,发表论文数和论文占比才同时进入增长期,快速增长持续至今。这一方面与遥感科学相关技术快速发展与广泛应用有关(罗玲等, 2018);另一方面,与包括嫦娥工程在内的越来越多的无人探测任务有关(李春来等, 2021)。

2.2 期刊

在月球科学领域发表论文数排名前10的期刊是:Icarus、JournalofGeophysicalResearch-Planets、ActaAstronautica、Nature、Science、PlanetaryandSpaceScience、Meteoritics&PlanetaryScience、GeophysicalResearchLetters、AdvancesinSpaceResearch和TransactionsAmericanGeophysicalUnion(表1)。美国有8种,英国有2种。我们选取前6种,并增选地学重要期刊GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters(排名第11和12),对这8种期刊的年发表论文数和占比变化趋势进行分析(图2)。

从图2可以看出,8种期刊年发表论文数和论文占比的变化趋势中,Science、Nature、GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters与以Icarus为代表的另外4种期刊的变化趋势不同。以Icarus为代表的另外4种期刊发表论文数的第一个小高峰均出现在阿波罗探月阶段,之后快速回落,在1990年美国重返月球时再次开始增长至今。

综合性期刊Science和Nature在阿波罗计划实施期间刊载了大量高水平科研论文,1969年阿波罗11号返回月壤样品,1970年Science的年发表论文数从5篇飙升至174篇,论文占比为30.4%,成为历史最高点。Science帮助美国研究者第一时间把阿波罗样品的研究成果分享给学术界。Nature的年发表论文数的峰值出现在1969年,为29篇。此后,两刊的走势不同于前几种期刊,年发表论文数和论文占比均回落并长期处于低位,也从一个侧面说明在较长时间内月球科学领域有影响力的学术成果呈下降趋势,这一现象可能与阿波罗计划之后长达40多年没有新的月球样品返回有关。

GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters的趋势比较类似,在阿波罗计划实施期间出现小峰值,其后其发表论文数和占比都基本保持稳定,说明1990年美国重返月球对GeochimicaetCosmochimicaActa和EarthandPlanetaryScienceLetters的影响有限。

2.3 国家

在月球科学领域发表论文数排名前10的国家是:美国、中国、德国、法国、英国、日本、俄罗斯、意大利、加拿大和瑞士(表2)。几个欧洲国家的变化趋势相近,仅选取欧洲排名第一的德国,与美国、中国、日本和俄罗斯进行对比(图3)。

从图3总体趋势看,随着月球科学领域科学技术快速发展进步,这5个国家的发表论文数整体呈现逐步上升趋势,但占比表现和发展趋势不尽相同。德国、日本和俄罗斯年发表论文数和占比变化趋势十分相似,在阿波罗计划时期和探测平静期数量和占比极少,从第三阶段开始数量上呈现缓慢增长趋势,但论文占比整体上没有明显变化,基本在10%以内小幅度波动。而中美两国在趋势上与德国、日本和俄罗斯有较大不同。

美国的年发表论文数和占比始终处于第一。阿波罗计划阶段,尤其是1969年阿波罗11号采回样品后,年发表论文数从1972年的37篇,迅速增长至1973年的峰值254篇,占比激增至历史最高值68.3%,之后年发表论文数和占比开始递减。自1990年重返月球开始,年发表论文数又呈现逐步上升趋势,从1991年的179篇增长至2022年的563篇,占比基本在40%～60%之间浮动,从2017年开始缓慢下降。

中国年发表论文数和占比在人类探月前三个阶段都较低,但从嫦娥探月工程开始呈现逐年快速增长趋势,2013年超过德国上升至第二位。年发表论文数从2004年的12篇激增至2022年的457篇,而且增长还在延续,很有可能在未来几年超越美国,成为年发表论文数第一的国家。这种增长趋势很可能是受到2004年启动的嫦娥工程的牵引,人才的成长通常需要时间积累,成果的井喷出现在嫦娥工程启动约10年后的2013年。

2.4 机构

在月球科学领域发表论文数排名前10的机构是:美国航空航天局、美国加州大学系统、美国加州理工学院、乌迪斯-法国研究型大学联盟、中国科学院、俄罗斯科学院、美国航空航天局喷气推进实验室、法国国家科学研究中心、美国航空航天局戈达德航天中心和美国约翰霍普金斯大学(表2)。发表论文数前十的机构美国占据六席,本文选取美国航空航天局、美国加州大学系统、法国国家科学研究中心、中国科学院和俄罗斯科学院进行对比分析(图4)。

从图4总体趋势看,美国加州大学系统、俄罗斯科学院和法国国家科学研究中心年发表论文数和占比的总体变化趋势较为相似,数量上呈现缓慢增长趋势,占比在10%以内上下波动。相对而言,美国加州大学系统发表论文数最多,法国国家科学研究中心发表论文数最少。

美国航空航天局的年发表论文数和占比始终处于全球机构中第一,直至2022年被中国科学院超过。阿波罗计划时期,年发表论文数从1972年的11篇,迅速增长至1973年的峰值63篇,占比从2.5%激增至17.0%,1975年占比达到峰值18.2%。探测平静阶段,年发表论文数呈现大幅下降趋势,占比始终保持在5%～15%之间。从1990年美国重返月球开始,年发表论文数又开始呈现逐步上升趋势,从1991年的57篇增长至2020年最高时的206篇,此后2022年被中国科学院超过。在此期间,占比一直保持在10%～20%之间。

中国科学院年发表论文数和占比与中国发展的趋势(图3)是一致的,从嫦娥探月工程实施开始持续增长,2022年的发表论文数已经达到了199篇,超过了美国航空航天局,而且从趋势上看,增长仍然在延续。

2.5 高产作者

基于数据库统计高产作者结果见表3,排名前10的作者均来自美国:Head JW、Lucey PG、Taylor LA、Russell CT、Zuber MT、Pieters CM、Robinson MS、Horanyi M、Jolliff BL、Lawrence DJ。从首发月球论文的时间看,3位作者起步于阿波罗阶段(1969～1972年),5位作者起步于重返月球阶段(1991～1998年),表明培养顶尖学者一方面需要时间积累,另一方面需要月球探测任务支撑。

2.6 国际合作

从国际合作国家来看(表4),中国在月球科学领域的合作论文最多的十个国家为美国、德国、英国、法国、日本等,其中和美国合作论文数(452篇)占本国论文数比例最高,达到14.7%,和荷兰合作论文数 (47篇) 占本国论文数比例最低,为1.5%;同时澳大利亚和中国合作的论文数(59篇)占合作国家发文数比例最高,达到8.1%。

美国在月球科学领域的合作论文最多的十个国家为德国、法国、英国、日本、中国等,其中和德国合作论文数(1023篇)占本国论文数比例最高,达到8.1%,和澳大利亚合作论文数(250篇)占本国论文数比例最低,为2.0%;同时加拿大和美国合作的论文数(435篇)占合作国家发文数比例最高,达到49.8%。

比较有意思的现象是,对于中国而言,合作最多的国家是美国(占14.7%),但是对于美国而言,中国是它合作较少的国家(仅占3.6%)。

中国和美国有八个共同的合作国家,分别是德国、英国、法国、日本、意大利、俄罗斯、澳大利亚和加拿大(图5)。从合作论文数看(图5a),中国与美国之间存在很大差距,例如在与德国的合作过程中,中德合作论文数为169篇,远远落后于美德合作的1023篇,这么明显的差距主要是中美两国在总发表论文数的差距造成的,美国总发表论文数为12644篇,而中国仅有3083篇。从合作论文占本国总论文数比例(图5b)来看,中美两国差距并不算太大,例如:中国有5.5%的论文与德国合作,而美国有8.1%的论文与德国合作。总体上,与德国、英国、法国、加拿大的合作,中国相对于美国还是有差距;但是与日本、意大利、俄罗斯和澳大利亚的合作,中国与美国基本相当。

3 词频和重要论文聚类分析

3.1 词频聚类分析

利用VoSViewer软件截取关键词词频在150次以上的129个关键词,过滤掉Moon、Lunar、Earth、Mars等与天体相关的词汇,对最终遴选出的112个关键词进行分析,结果见图6,关键词聚类可以分为5类,因此可以获得月球科学的5大研究领域:月球空间环境、月球形成和演化、月球表面物质和挥发分、月球撞击历史和撞击坑年代学、月球形貌和内部结构(图6)。

图6 月球科学领域高频关键词的网络节点大小代表关键词出现频率的高低Fig.6 Network of high-frequency keywords in lunar science Node size represents the frequency of keyword occurrence

3.2 重要论文聚类分析

利用VoSViewer软件截取Links值排名前2%的论文共621篇。Links值是论文与数据库内其他论文之间相关度的量化值,即该论文与数据库中其他论文的引用和被引次数的和,Links值越高,表明该论文与其他论文的相关度越高。Links值高的论文主要是两类:(1)领域内重要原创发现,被领域内其他论文广泛引用;(2)领域内综合性综述,大量引用领域内文章。本文将Links值排名前2%的论文定义为重要论文。

对621篇重要论文进行聚类分析,结果如图7所示,揭示了月球科学领域最重要的七大热点:月球起源和内部水、月表物质组成和地质单元、月表水和挥发分分布、月球空间环境和月壤太空风化、月壳形成和演化、月球撞击历史和撞击坑年代学、月球内部结构。

同时,我们分析了论文产出前10国家发表的重要论文数(表5)。重要论文数从高到低依次为美国、法国、德国、英国、日本、瑞士、中国、俄罗斯、加拿大、意大利。其中美国发表的论文数和重要论文数都居第一,而且尤其是重要论文,优势明显,而我国虽然总论文产出和占比居第二,但重要论文数仅排到第七位(表5)。

为了进一步说明这个问题,我们计算各国每百篇论文出产重要论文的数量(表5、图8),主要分为四档,第一档为美国、法国和瑞士,每百篇论文约出产4篇重要论文;第二档为英国、德国和日本,每百篇论文约出产3篇重要论文;第三档为加拿大,每百篇论文约出产2篇重要论文;第四档为俄罗斯、中国和意大利,每百篇论文约出产1篇重要论文。

图8 月球科学领域排名前10国家每百篇论文出产重要论文数Fig.8 Number of important articles per 100 articles published by the top 10 countries in lunar science

在全部621篇重要论文中,我国仅有29篇,其中19篇与嫦娥任务相关,包括7篇ESI高被引论文或热点论文(Cheetal., 2021; Huetal., 2021; Lietal., 2021, 2022; Qianetal., 2021a, b; Tianetal., 2021),全部与嫦娥五号任务相关。

4 我国月球科学研究的现状和问题

月球科学成果的产出依赖于国家深空探测的工程能力和科学研究水平。过去20年,我国无论是深空探测能力,还是科学研究水平,都取得了长足进步。因此,我国在月球科学研究方面的论文数量也逐年提升,2013年超越德国,上升至第二位。而且增长趋势仍然在持续,可以预期在未来几年能够超过美国,上升至第一位(图3)。不过,过去20年,我国所有基础研究领域的发表论文数都呈现大幅增长的趋势,例如:地质学,我国在2015年就已经超过美国,成为第一;至2021年,年发表论文数已经达到了美国的4倍(图9)。因此,相对于其他领域而言,我国月球科学领域的成长是较慢的。

与此同时,我国月球科学研究也存在,优秀论文少、顶尖学者少、学术期刊少的“三少”问题:

(1)优秀论文少。尽管我国发表的论文数达到3083篇,仅次于美国占世界第二,但是,重要论文仅有29篇,每百篇论文出产重要论文数仅有0.9篇,而美国每百篇论文出产重要论文数高达4.0篇(图8),有81%的重要论文是美国学者发表(表5)。

(2)顶尖学者少。截至2022年,发表论文数排名前10的作者全部是美国学者(表3),而中国学者没有上榜,当然这一定程度上与我国在这一领域刚刚起步有关。

(3)学术期刊少。截至2022年,发表论文数排名前10的期刊,美国占8个,英国占2个(表1)。值得注意的是,阿波罗11号首次采集月球样品之后的1970年,Science发表相关论文174篇(图2),说明顶级期刊对本国科学发展有重要的牵引和支撑作用。

因此,未来我国需要加强重要成果产出率、人才队伍培养和期刊建设等方面的政策激励和制度建设。

5 月球科学前沿领域研判

文献计量分析结果可以帮助我们理解月球科学的研究现状和未来发展趋势,并为我国未来月球探测和研究的规划与组织提供参考。

5.1 月球科学主要领域和热点问题

关键词聚类和重要论文聚类分析可以识别出月球科学研究的主要领域和热点问题。关键词分析识别出五大研究领域,重要论文聚类分析识别出七大热点(表6)。如果考虑二者之间对应关系,“月球起源与内部水”和“月壳形成与演化”属于“月球形成与演化”领域,“月表物质组成和地质单元”和“月表水和挥发分分布”属于“月表物质和挥发分”领域,因此,关键词聚类和重要论文聚类分析的结果是一致的。

表6 月球科学领域词频聚类和重要论文聚类结果对比

通过七大热点所涵盖的论文,我们可以梳理出其相关的科学问题:

(1)月球起源与内部水。目前学术界基本认同月球形成于一次大的撞击事件(Hartmann and Davis, 1975),但是经典大撞击理论仍存在不小的挑战。主要的争议集中在撞击事件的细节过程,如:撞击次数、撞击角度、撞击持续时间等,因为撞击模型需要解释月球和地球在很多同位素上的相似性(Locketal., 2020)。另外,Saaletal. (2008)通过研究火山玻璃发现月球内部并不像过去认为的那么“干燥”,这一颠覆性发现进一步对大撞击理论提出了挑战。到底是怎样的撞击过程,既能造成月球和地球相似的同位素组成,又能让月球保留足够高的水和挥发分含量,仍然是未来月球科学最热点的问题之一。

(2)月壳形成与演化。基于阿波罗11号返回的月球样品, Woodetal. (1970)提出了岩浆洋模型解释斜长岩月壳的成因,自此拉开了月壳形成与演化研究的序幕。月壳可以简单分为高地和月海,它们分别对应了两个过程:岩浆洋演化和月海玄武岩喷发,二者都与月球的热演化历史相关(Sheareretal., 2006)。尽管经过了50多年研究,该领域仍然存在很多未解之谜:岩浆洋的规模多大?持续多久?月幔翻转是否发生?其多大规模?对月幔造成怎样的影响?月球火山活动起始和结束时间?其何以持续如此之久?等等。

(3)月表物质组成和地质单元。尽管在阿波罗时代就已经对月球开展了遥感地质的研究(McCordetal., 1972),但是真正改变这一领域研究范式的是1994年发射的克莱门汀号(Nozetteetal., 1994; Robinson and Riner, 2005),其精细揭示了月壳的复杂性以及阿波罗采样的局限性。此后的一系列探测器月船1号、月亮女神号、月球勘测轨道飞行器以及我国的嫦娥一号和嫦娥二号,不仅帮助我们识别新的月表物质和地质单元,而且为巡视探测和采样返回任务着陆点的选取提供了关键依据。

(4)月表水和挥发分分布。从Watsonetal. (1961)提出月球极区永久阴影区可能存在水冰的猜测,到1994年克莱门汀号双基雷达实验发现月球极区可能存在水冰(Nozetteetal., 1996),到2010年LCROSS撞月实验证实月球极区存在水冰(Colapreteetal., 2010; Schultzetal., 2010),到今天世界各航天强国都计划对月球南极开展水冰探测。月球极区水冰如何分布?来源于哪里?这不仅是重要的科学问题,也关乎到未来月面长期驻留的水资源提取和利用,这一问题,毫无疑问,仍将是未来月球探测最重要的方向。

(5)月球撞击历史和撞击坑年代学。月球是研究内太阳系撞击历史的天然实验室,它表面布满了撞击坑,记录了其形成以来所遭受的小行星撞击历史(Stoffleretal., 2006)。由于小行星撞击的强度和频率总体上随时间是降低的,因此撞击坑分布密度可用于年龄测定(Neukumetal., 2001)。由于阿波罗样品主要采集自30～40亿年,因此撞击坑年代学对于更老的或更年轻的地质单元的定年精度尚有待提高(Brasseretal., 2020; Williamsetal., 2018),而且是否存在39亿年大撞击事件也仍然存在争议(Bottke and Norman, 2017)。

(6)月球内部结构。阿波罗时代采集的月震数据仅对月球的宏观内部结构有了一定的约束,但其精度和准确度受到仪器性能的限制,尤其是对深部月幔和月核的结构基本没有约束(Garciaetal., 2019; Wieczoreketal., 2006)。除了最近通过GRAIL获得重力数据计算全月平均月壳厚度在34～43km外(Wieczoreketal., 2013),几十年以来,对于月球结构的认识基本没有进展(Garciaetal., 2019)。只有在月面不同区域布设足够数量的高精度月震仪,未来才有可能在这个问题上取得重大突破。

(7)月球空间环境和月壤太空风化。由于没有内禀磁场的保护,月球运行中太阳辐射、太阳风和宇宙线均可直接到达月面,与月壤、月表剩磁相互作用,形成特有的近月面空间环境(Futaanaetal., 2018)。这种相互作用涵盖的科学问题包括:太空风化如何改造月壤(Pieters and Noble, 2016)?月球上涡旋状的亮斑如何形成(Walleretal., 2022)?月球内禀磁场何时消失?为何消失(Weiss and Tikoo, 2014)?月表电场如何影响尘埃和带电粒子的迁移(Zakharovetal., 2020)?等等。

5.2 对我国未来月球探测和研究的启示

通过梳理月球科学研究的热点,我们提出未来月球探测和研究可能形成重大突破的三个方面:

(1)月球的水仍将是国际月球探测和研究的重点。月球的水和挥发分几乎与月球所有前沿科学问题都相关,主要体现在两个方面:一方面是月球内部的水和挥发分,它与月球的大撞击成因、岩浆洋演化、月海玄武岩喷发都密切相关;另一方面是月球表面的水和挥发分,它可能来源于小行星或彗星撞击携带,也可能来自于太阳风的注入,与月表空间环境和撞击历史密切相关。因此,月球的水必然还将是国际月球探测和研究的重点。

(2)月球内部结构探测或是我国弯道超车的机遇。如前所述,几十年以来,对于月球结构的认识基本没有进展,这主要是因为,阿波罗时代之后,月球表面再也没有布设过月震仪。而我国未来月球探测任务,如嫦娥七号、嫦娥八号等,都将在月面布设月震仪(王赤等, 2022)。如果能在月面多点布设高精度月震仪,我国将很可能在月球内部结构方面取得科学上的重大突破。

(3)新的样品将进一步揭示月球形成和演化的奥秘。1990年以来的重返月球主要以遥感探测为主,这些探测揭示了月壳的复杂性,以及阿波罗和月球号采样的局限性,月球表面还有很多新发现的物质从未被采样。在阿波罗和月球号之后,时隔44年的嫦娥五号任务,在月球年轻火山活动时间与机制方面取得重大突破(Cheetal., 2021; Huetal., 2021; Lietal., 2021; Tianetal., 2021)。可以预期,未来我国采集的新的月球样品,将为我们认识月球形成和演化打开新的窗口。

此外,通过新的月球探测任务,在月面不同着陆区进行更立体化和全方位的科学探测是实现上述突破的前提和基础。

6 结论

本文利用文献计量学方法,定量研究了月球科学领域的论文产出数量、学科和期刊分布、各主要国家和机构的竞争力、研究领域和热点、国际合作等现状,获得如下结论:

(1)随着嫦娥工程的开展,过去20年,我国月球科学研究论文数量逐年提升,2013年超越德国,上升至第二位,至2022年,增长趋势仍然在持续,预期在未来几年能够超越美国,上升至第一位。但是,仍然存在优秀论文少、顶尖学者少、学术期刊少的“三少”问题。未来我国仍需在重要成果产出、人才队伍培养和期刊建设等方面加强政策激励和制度建设。

(2)关键词聚类分析识别出五大研究领域:月球空间环境、月球形成和演化、月球表面物质和挥发分、月球撞击历史和撞击坑年代学、月球形貌和内部结构。重要论文聚类分析识别出月球科学领域七大热点:月球起源和内部水、月表物质组成和地质单元、月表水和挥发分分布、月球空间环境和月壤太空风化、月壳形成和演化、月球撞击历史和撞击坑年代学、月球内部结构。

(3)未来月球科学可能在三个方向形成突破:月球的水仍将是国际月球探测和研究的重点;月球内部结构探测或是我国弯道超车的机遇;新的样品将进一步揭示月球形成和演化的奥秘。

致谢感谢任胜利博士及另外一位审稿人对本文提出的建设性意见和建议。