嫦娥 6 号月壤粘性登《自然》! 嫦娥 8 号要开月球砖瓦厂?

　　咱们书接上文，上文书讲到，嫦娥5号从月球正面采集回来的样本和嫦娥6号从月球背面采集回来的样本差异很大，主要就是粘性差很多。科学家是如何发现这种现象的呢，其实过程还是挺有意思的。

　　有关沙子和土壤这种颗粒物组成的玩意儿，有个数值叫做“休止角”。这到底是个啥意思呢？其实很简单。大家都知道啊，物体很容易从斜坡上滑下来，比如说你弄个木头板，放个小木块，当你把木板开始逐渐倾斜的时候，一开始小木块还能保持静止不动，但超过某个角度的时候，小木块就开始向下滑了。滑与不滑的那个临界点，就被称为休止角。

　　同样对于颗粒物也是有休止角这个概念的，只不过测量方式有点特别。弄个小漏斗，然后让细颗粒从这个小漏斗里面漏下去，逐渐在下边堆成一个小尖堆。如果这个尖堆太尖了，拱的太高，侧面的沙子就开始往下滑了，是停不住的。所以你就可以用小漏斗一点一点的添加沙子，小沙堆最高能到多少，然后你就可以测一测侧面的那个坡度，这个坡度就是休止角。

　　坡线和地面的夹角，就是休止角

　　所以啊，要测量嫦娥6号采集回来的月壤，它的休止角到底是多少？其实用的也是漏斗。这个方法很简单，也很省事儿。最后大家经过比对发现月球背面的月壤它的休止角明显比月球正面的月壤休止角要大多了，说白了就是比较黏。

　　颗粒越粗糙，形状越不规则，那么休止角就会越大。如果颗粒本身的摩擦系数就大，那么休止角也会变大。另外，湿沙子的休止角也比干沙子要大。当然还有一些其他因素也会影响材料的休止角，比如说颗粒里边有含有带磁性的小颗粒。那么彼此就会互相吸引，会改变颗粒的休止角。另外，如果某些成分天生就比较黏，那么也会改变颗粒物的休止角。

　　科学家们对比了月球正反两面带回来的土壤，发现这些月壤之中不含有粘土材料。这个因素就可以排除了，另外发现月壤之中含有的磁性的小颗粒数量也很少。这也不是重要因素。剩下的三种因素就是摩擦力，范德华力和静电力。

　　范德华力很复杂，我们这儿就不细讲了。摩擦力大家都很好理解，颗粒的形状越不规则，摩擦力越大。另外，颗粒越细小。范德华力和静电力的作用就会变得越明显。嫦娥6号带回的样本，颗粒不仅特别细，而且形状特别不规则，所以粘性就会变得很大。为什么会造成这样的结果呢？还是跟月壤成分有关系。一方面，样品之中富含很容易破碎的长石类矿物。另一方面，月球背面的太空风化作用更加显著。

　　月球没有大气层的保护，所以月球表面长期暴露在宇宙环境下，虽然比地球上的保存环境要好很多，但架不住年头太长啊，这些月壤颗粒依然会经历一个风化的过程。首先是月球表面时时刻刻都会遭受到微陨石的轰击，这些微陨石的颗粒都很小，最大的也不过才几毫米，但是它们的速度非常快，可以达到每秒钟几十公里，这么一颗高速的小沙粒撞到月球的土壤上。要么就是把原本的颗粒撞得更加细碎。要么就是产生了高温，导致被撞击的月壤颗粒全部升华了，变成了蒸汽，然后再冷凝成了更小的颗粒。

　　氢脆现象导致的材料破坏

　　另外，从太阳出来的高能带电粒子也在不断的撞击着月球表面的这些土壤。大家知不知道有一种现象叫做氢脆？氢的原子核实在是太小了，只有一个质子，所以质子这个玩意儿经常会钻到金属材料的晶格里面，就导致金属材料的晶格出现缺陷，有了这种缺陷以后，就导致材料出现缺陷，强度严重下降。这种现象就叫做氢脆。二战时期，英国喷火式战斗机的引擎主轴就出现了氢脆现象，造成了不少事故。

　　巧了，太阳风里边就带有大量的高能质子，这些质子也会撞进月壤颗粒的固体晶格里。氢原子核不就是质子吗？这本来就是一回事。土壤颗粒也会出现氢脆现象，有个风吹草动它就碎了。

　　另外，宇宙射线照射可以使得土壤表面产生纳米级的铁颗粒，使得土壤变得更加粗糙。这些纳米级的铁颗粒也使得月球表面的土壤变暗、发红。而且不同地点的月壤的风化程度也不太一样。嫦娥5号和嫦娥6号月壤的对比，就提供了这样的依据。所以今年的11月24号，这项研究成果发表在了《自然-天文学》杂志上。

　　有人可能会问，研究月壤研究的这么细，有啥好处呢？你别忘了啊，咱们国家将来是要在月球上建基地的，你得对月球有足够的了解，才能够搞清楚月球上有哪些资源是可以利用的，比如说咱们想在月球上烧砖头。你总得就地取材吧，你不能把地球上的红土带上去，对吧？

　　太阳能3D打印制砖机实验

　　你别说，咱们国家真的制定了计划，嫦娥8号真的会带着一台制砖机上月球，看看能不能在月球生产砖头。好家伙，嫦娥8号这是要在月球上开砖瓦厂啊？

　　具体是怎么干的呢？就是利用聚光镜汇聚太阳光，然后用光纤把汇聚的太阳光传到指定的地方。聚光的焦点上，温度可以达到1300度，用高温把月球上的土壤烧结成型。你可以薄薄的铺一层沙子，然后把阳光汇聚到指定位置，把这一层沙子烧一遍，变成硬块。然后往上再铺一层薄沙子，再烧一遍。就这么一层一层的铺沙子，一层一层烧，最后就变成了一整块砖头。所以大家别着急，后边的嫦娥7号和嫦娥8号，肯定还有很多新鲜玩意儿可以展示呢。

　　好，说完了嫦娥系列探测器。咱们基本上就把近期的一系列月球探测器都讲了一遍了。接下来呢，咱们得翻回头去讲讲其他行星了。大家还记得太阳系里那个最不起眼，最没人关注的小透明——水星吗？至今为止，拜访过水星的探测器真的没几颗。道理很简单，拜访水星实在是太有难度了。水星距离太阳太近了，即便是远日点，距离也只有7,000万公里，不到地日间距离的一半。

　　引力陷阱示意图，坑越深，探测器越容易被引力捕获。水星的引力陷阱在左下角，是一个非常小非常浅的坑。

　　从地球这种高层轨道掉进水星这种低层轨道，势能会变成动能，也就是说探测器在太阳巨大的引力作用下，会不断的加速。以致速度太快，没有办法被水星微小的引力所捕获，所以即便你发射一个探测器，也只能从水星边上擦肩而过，顺便看两眼。为看这两眼发一颗探测器，实在是太不划算了，所以以前从来就没人这么干过。

　　不过呢，1970年，意大利帕多瓦大学的教授。朱塞佩·科隆博在喷气推进实验室的一次研讨会上，他提出了一个设想，如果发射一枚探测器，在飞掠过金星以后，有机会进入一个环绕太阳的轨道。这个轨道的周期大概是176天。这个时间大概就是水星公转周期的两倍，如果能够精确的控制轨道。那么就可以实现每176天和水星相遇一次。后来nasa就是按照他的设想修改了水手10号的轨道程序。让水手10号实现了3次掠过水星。这才使得人类有机会一窥水星的真容。

　　水手10号

　　那水手10号通过这三次拜访，也仅仅拍摄了水星40%的表面。为啥呢？因为水星这个家伙的自转实在是太慢了。这个家伙的自转和公转形成了3:2的共振。绕太阳转2圈，自转3圈。换算下来，大概就是58.646天转一圈。可是你别忘了，水手10号每176天过来拜访它一次。每次相遇，水星都刚刚转了整三圈。只要是转的整数圈，这就意味着水星永远是同一面朝着探测器。所以水手10号拍照片拍来拍去就是那点范围，这一点实在太让人郁闷了。

　　因为水星实在太小了，它的质量只有地球的5.35%。它的引力也小的可怜。路过水星的探测器速度又那么快，想被它捕获，真的是非常难，在当时几乎就是做不到的事。你要是愿意花大价钱，不惜代价，我做个大火箭，发射一枚大探测器，带着更多的燃料供它刹车，是不是能实现进入环绕水星的轨道呢？那当然是没问题啦。但是花的这个代价跟发射一枚木星探测器其实是差不多的。我与其花同样的钱来拜访这个实心的铁疙瘩，我还不如去拜访一下木星呢，那获得的成果要比拜访这个水星大多了。所以，自从水手10号之后，有30多年没有任何一颗人类的探测器再次拜访水星。

　　这种局面一直到1985年才被打破。有一位华人女物理学家解决了这个问题，她的名字叫颜刘贞婉。有人奇怪，这个姓氏好像没听说过啊。我估计是冠夫姓的。她老公家姓严，她自己家姓刘。她是台湾人，从台北著名的北一女毕业。本科读的是台大物理系，大学毕业以后到麻省理工攻读物理学博士。毕业以后就进入了nasa的喷气推进实验室。当然了，她相当的低调，我在网上也查不到她更多的信息了。据说她在喷气推进实验室，也是一个多面手，有很多项目她都参与过。

　　她通过数学计算，发现了一条不需要那么多的能量，也能抵达水星，被水星引力捕获的轨道。代价是要花费7年时间，飞行79亿公里，绕太阳公转15圈。具体的做法是从地球出发，先绕着地球的公转轨道，跟地球一块绕太阳转一圈。它的速度比地球稍微快一点，追上地球以后，借助地球的引力弹弓效应甩向金星。路过金星的时候，再一次借助引力弹弓效应。跟着金星一起绕着金星的公转轨道再转一圈，第2次借助金星引力弹弓效应，飞到水星。然后在水星公转轨道上跟着水星一块儿绕着太阳转悠。当然了，具体的轨道是不重合的，所以它会跟水星相遇4次。最后一次速度就已经慢到可以被水星的引力所捕获。

　　信使号复杂的轨道设计

　　说白了，这个思路就是利用引力弹弓效应来减速刹车。用地球减速一次，金星两次，水星4次，这才能把速度给减下来。到了1998年，再一次探测水星的任务计划终于获得了批准。美国人终于又一次想起了这个爹不疼娘不爱的水星。因为它是太阳系内被探测最少的大行星。有了颜刘贞婉的研究成果，现在可以利用较低的成本去探测水星了，但是大家得有耐心，起码要等上7年的时间。而且轨道的操控需要非常非常的精确，那么多次借用引力弹弓。随便有哪一次出现了偏差，这颗探测器就算是打了水漂了。

　　2004年，探测水星的信使号从卡纳维拉尔角出发了。我们把这颗探测器翻译为信使号，其实这是个英文缩写，展开了是“水星表面、太空环境、地球化学及全向遥测”。其实这也是一语双关，水星墨丘利这个名字实际上也是来自于古罗马神话。这个墨丘利就因为跑得快，所以他在神话里边就是个送快递的，也就是“信使”。巧了，水星是咱们太阳系里边跑得最快的一个。所以就用墨丘利的名字给他命名了。

　　信使号自带遮阳棚

　　这颗探测器不大，重量只有1.1吨。燃料重量占了它的60%，科学仪器加起来也只有50公斤。这个探测器还专门配备了隔热罩，因为水星距离太阳太近了，整个天体转的又特别慢，面对太阳的那一边已经被晒到爆热的程度，温度起码有400多度。探测器要靠近这么大的火炉子，不做好防热措施，那是肯定顶不住的。

　　那信使号上到底带了多少仪器呢？高分辨率的立体相机，你总得带一台吧。不然你用啥拍照呢？另外，你得画一张三维地图啊，水星表面的高低起伏你得探测出来吧，所以还得带一台激光高度表。

　　另外，伽马射线中子质谱仪，你得带一台吧。这个东西就是专门用来分析水星表面的物质成分的。另外，伽马射线波段的你带了，那x射线波段的，你是不是也要带一台啊？所以还得带一台x射线光谱仪，这玩意儿也是用来分析物质成分的。

　　对了，科学家们还关心水星到底有没有磁场，磁力计你也得带一台吧。同时还得带一台水星大气表面成分探测仪。啊，水星表面还有大气？虽然水星几乎就没有任何大气层存在，但是万一太阳把水星上的石头晒冒了烟儿呢？多多少少能飘出一点物质成分吧，这点成分也是需要探测一番的。

　　还有嘛，就是高能粒子和等离子探测仪。这个东西就是用来探测水星周围高能粒子的。毕竟这个地方距离太阳很近，对吧。

　　最后顺便利用无线电和地球的通讯，搞一下无线电方面的测量。水星的物质分布不是绝对均匀的，所以各个地方的重力都有微小的变化，探测器在绕着水星运转的过程中，轨道也是会发生变化的，利用地球和探测器的无线电通信，就可以把这些微小的变化检测出来，那么就对研究水星的内部结构提供了依据。

　　其他就是一些探测内部温度，监控内部环境的传感器。这些仪器加起来一共才50公斤，再多了也放不下了。

　　信使号和地球相遇的时候拍摄的照片

　　信使号探测器发射出去以后，第1年是跟着地球一块绕着太阳转。但是它的轨道和地球轨道不完全重合，大约在一年之后，它会和地球相遇。所以地面上的科学家有一年时间对信使号探测器的各种仪器进行检查。比如说，让信使号给地球和月亮拍个照，看看照相机好使不好使。同时让探测器收集一下地球大气层和磁层的数据。幸运的是，整套系统运行的都非常完美，基本上没什么缺陷。

　　另外，信使号还做了一项测试，那就是用自己的太阳能电池板当做光帆来使用。大家知道光是会对太阳能电池板产生微弱的压力的，看上去这点力量微不足道，但是架不住经年累月的施加作用了。你别忘了啊，信使号要在太空里头转悠7年。如果能够有效的利用光压来减速，能起点作用，当然也是好的。

　　2005年的8月2号。信使号飞掠过地球，利用地球的引力弹弓效应，信使号拐了个弯，奔着金星去了。2006年的10月24号，信使号第1次飞掠金星，2007年的6月5号第2次飞掠金星。好当时欧空局的金星快车正在环绕金星运行，所以信使号就和金星快车号进行了合作。第1次对金星的粒子和磁场进行了同步测量。然后呢，信使号借助金星的引力弹弓效应，一拐弯就奔着水星去了。

　　信使号是2008年的1月14号第1次飞过水星。整个过程实现的非常完美。二次掠过水星，也很完美。但是第3次掠过水星的时候，出了个麻烦，信使号不知道怎么回事，进入了安全模式。可把地面上的科学家吓得不轻，这99拜都拜了，还差最后这一哆嗦了，您怎么就这会儿罢工了呢？好在，过了7个钟头以后。信使号的系统恢复了，好在只是虚惊了一场。

　　这个地区的照片，以前水手10号没拍过，这是信使号在2.7万公里的距离上拍摄的

　　随着第3次掠过水星。信使号的轨道逐渐下降，速度逐渐减慢。最终在2011年的3月18号，正式进入了环绕水星的运行轨道。好不容易啊，几十年了，第1次有人造的探测器，能够在水星附近刹车成功，被水星微弱的引力所捕获。科学家们为信使号设计的轨道非常特殊。它的进地点只有200公里，远地点有15,000公里。之所以要设计成长椭圆轨道，就是为了散热考虑。水星旁边实在是太热了。咱尽量从水星附近兜一下，马上就躲远点凉快凉快，然后下一次再来，转一圈是12个小时。

　　信使号就这么绕着水星不断的兜圈子，前前后后一共转了4年时间，原本科学家计划能拍1000张照片就已经很不错了，没想到信使号足足拍了20万张照片。为人类提供了水星表面的大量的高分辨率彩色照片。而且还顺便捕捉到了附近彗星和其他行星的图像。